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星系：宇宙的演变史

在大约150亿年前 ， 宇宙是从物质和能量的密集热海中诞生的 。随着宇宙的膨胀和冷却 ， 它产生了星系 ， 恒星 ， 行星和生命！
星系：宇宙的演变史
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银河系聚类代表了宇宙在其当前年龄的60％时的样子 。哈勃太空望远镜通过聚焦在完成10个轨道的星团上而捕获
宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）因其对我们宇宙的起源和发展理论的贡献而获得了2019年诺贝尔物理学奖 。他在这篇文章中描述了这些想法 ， 并 于1994年 为《科学美国人》 撰写。
在大约150亿年前的特定瞬间 ， 我们可以观察到的所有物质和能量 ， 集中在小于一角钱的区域 ， 开始以惊人的速度膨胀和冷却 。到温度下降到太阳核心温度的1亿倍时 ， 自然力就呈现了它们目前的特性 ， 被称为夸克的基本粒子在能量海中自由漫游 。当宇宙又膨胀了1000倍时 ， 我们可以测量的所有物质都充满了太阳系大小的区域 。
那时 ， 自由夸克被限制在中子和质子中 。宇宙又增长了1000倍后 ， 质子和中子结合形成原子核 ， 包括当今存在的大多数氦和氘 。所有这些都发生在扩展的第一分钟之内 。但是 ， 条件仍然太热 ， 原子核无法捕获电子 。中性原子只有在持续扩展了30万年之后才出现 ， 并且宇宙比现在小1,000倍 。然后 ， 中性原子开始聚集成气云 ， 随后演变为恒星 。当宇宙膨胀到现在的五分之一时 ， 恒星已经形成了可以识别为年轻星系的群 。
当宇宙只有现在的一半时 ， 恒星中的核反应就产生了大部分重元素 ， 而这些重元素是由地球行星构成的 。我们的太阳系还比较年轻：它是在50亿年前形成的 ， 当时宇宙只有现在的三分之二 。随着时间的流逝 ， 恒星的形成消耗了星系中的气体 ， 因此恒星的数量正在减少 。从现在起150亿年之内 ， 像太阳这样的恒星将相对稀少 ， 这对于像我们这样的观察者来说 ， 使宇宙变得不那么热情好客 。
我们对宇宙的起源和演化的理解是20世纪科学的伟大成就之一 。这些知识来自数十年的创新实验和理论 。地面和太空中的现代望远镜探测到数十亿光年远的星系发出的光 ， 向我们展示了宇宙年轻时的样子 。粒子加速器探究了早期宇宙高能环境的基本物理学 。卫星检测膨胀初期留下的宇宙背景辐射 ， 从而以我们可以观察到的最大尺度提供宇宙图像 。
我们解释这种大量数据的最大努力体现在一种称为标准宇宙学模型或大爆炸宇宙学的理论中 。该理论的主要主张是 ， 在大规模的平均水平上 ， 宇宙从密集的早期状态以几乎均匀的方式膨胀 。目前 ， 大爆炸理论还没有根本性的挑战 ， 尽管该理论本身肯定存在一些尚未解决的问题 。例如 ， 天文学家不确定星系是如何形成的 ， 但是没有理由认为这个过程不是在大爆炸的框架内发生的 。的确 ， 迄今为止 ， 该理论的预测在所有测试中均幸存下来 。
然而 ， 大爆炸模型只适用于目前 ， 仍然存在许多基本谜团 。宇宙膨胀之前是什么样的？ （我们所做的任何观察都不能使我们回首膨胀开始的那一刻 。）在遥远的未来 ， 当最后一颗恒星耗尽核燃料供应时会发生什么？ 还没有人知道答案 。
神秘主义者 ， 神学家 ， 哲学家或科学家可能会从许多角度看待我们的宇宙 。在科学中 ， 我们采用深思熟虑的方式：我们只接受通过实验或观察检验的结果 。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）为我们提供了经过广泛检验和接受的广义相对论 ， 该理论确立了质量 ， 能量 ， 空间和时间之间的关系 。爱因斯坦证明 ， 物质在空间中的均匀分布非常符合他的理论 。他未经讨论就假定宇宙是静态的 ， 在大型平均水平上没有变化 。（请参阅斯蒂芬·格鲁斯（Stephen G. Brush）的“宇宙学如何成为科学”； 1992年8月 ， 《美国科学》 。


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