chronology of the universe

[dhleepaul]

물리 우주론 우주의 역사

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우주의 연대기(宇宙年代記, chronology of the universe), 또는 우주의 역사는 대폭발(빅뱅) 우주론에 따라 우주의 역사와 미래(future of an expanding universe)를 설명한다.

우주 존재의 가장 초기 단계는 1년 전에 발생한 것으로 추정되며, 68% 신뢰 수준에서 약 2100만 년의 불확실성이 있다.[1]

자연 연표

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암흑 시대

재전리

물질-지배
시대

가속 팽창

지상의 물

단세포 생물

광합성

다세포
생물

척추동물

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극초기 우주

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최초의 별

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최초의 은하

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최초의 퀘이사 / 블랙홀

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오메가 센타우리

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안드로메다 은하

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우리은하 나선팔

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NGC 188 성단

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알파 센타우리

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지구 / 태양계

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최초의 알려진 생명

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최초의 산소

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대기 산소

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유성 생식

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최초의 균류

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최초의 동물 / 식물

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캄브리아기 폭발

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최초의 포유류

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유인원 / 사람

생

명

체

(십억년 전)

개요

5단계의 연대기

우주(관측 가능한 부분)의 대폭발(왼쪽)에서, 우주 마이크로파 배경(CMB)-기준 잔광, 현재까지의 진화 다이어그램.

이 요약의 목적을 위해서, 기원 이후의 우주 연대기를 다섯 부분들로 나누는 것이 편리하다. 시간이 이 연대기 이전에 존재했는지 여부는 일반적으로 무의미하거나 불분명한 것으로 간주된다:

극초기 우주

우주시의 첫 번째 피코초picosecond (10-12초). 여기에는 현재 확립된 물리 법칙이 적용되지 않을 수 있는 플랑크 시대(Planck epoch)를 포함한다; 네 가지 알려진 기본 상호작용들 또는 힘들의 단계적인 출현-먼저 중력, 나중에 전자기, 약한 그리고 강한 상호작용들; 그리고 우주 자체의 팽창과 또한 우주 급팽창으로 인한 여전히 엄청나게 뜨거운 우주의 과냉각. 이 단계에서 엄청난 가속팽창을 통해 원자핵보다 작은 공간을 거시적인 크기의 공간으로 키우는 과정에서 미시세계에 숨어있던 급팽창장의 양자요동은 거시세계 물질의 밀도요동으로 바뀐다. 이는 우주의 구조와 그 속 모든 정보의 기원이 된다. 가장 초기 부분은 입자물리학에서는 실제의 실험의 범위를 벗어나지만 극한의 고온에 대한 알려진 물리 법칙의 외삽을 통해 탐색할 수 있다.

초기 우주

이 시기는 약 37만 년 동안 지속되었다. 처음에, 다양한 종류의 아원자 입자가 단계적으로 형성된다. 이 입자에는 거의 같은 양의 물질과 반물질이 포함되어 있으므로, 대부분이 빠르게 쌍소멸되고, 우주에 소량의 초과(excess) 물질을 남긴다.

약 1초경에, 중성미자들이 디커플링된다(neutrinos decouple); 이 중성미자들은 우주 중성미자 배경(CνB)을 형성한다. 만일 원시 블랙홀들이 존재한다면, 역시 우주시 약 1초경에 형성된다. 합성 아원자 입자들이 나타나며-양성자들과 중성자들을 포함하여-약 2분경으로부터, 핵합성에 적합한 조건이 된다: 양성자들의 약 25%와 모든 중성자들은 더 무거운 원소들로 융합되는데, 처음에는 자신이 빠르게 주로 헬륨-4로 융합되는 중수소로.

20분이 지나면, 우주는 더 이상 핵융합을 할 만큼 뜨겁지 않지만, 중성 원자들이 존재하거나 광자들이 멀리 여행하기에는 한참 너무 뜨겁다. 그것은 따라서 불투명한 플라스마이다.

재결합 시대가 약 1만8000년경에 시작되어, 전자들이 헬륨 핵들과 결합하여 He+를 형성한다. 약 4만7000년경에,[2] 우주가 냉각됨에 따라, 우주의 거동은 복사보다는 물질에 의해 지배되기 시작된다. 약 10만 년경, 중성 헬륨 원자들이 형성된 후, 헬륨 수소화물은 첫 번째 분자이다. (훨씬 후에, 수소와 수소화 헬륨 이온이 반응하여 최초의 별(항성)들에 필요한 연료인 수소분자 (H2)를 형성한다.) 약 37만 년 후에,[3][4][5][6] 중성 수소 원자들이 형성을 마치고("재결합"), 그 결과 우주는 더불어 처음으로 투명해졌다. 새로 형성된 원자들-주로 리튬의 흔적들이 있는 수소와 헬륨-은 광자들을 방출하여 가장 낮은 에너지 상태(바닥 상태)에 빠르게 도달하는데("광자 분리"), 이 광자들은 오늘날에도 여전히 우주 마이크로파 배경(CMB)으로 감지될 수 있다. 이것은 현재 우리가 우주에 대해 가지고 있는 가장 오래된 관측이다.

암흑 시대와 거대구조의 출현

37만 년에서 약 10억 년까지. 재결합 및 광자 디커플링(decoupling) 후, 우주는 투명했지만 수소 구름들은 매우 천천히 붕괴되어 별들과 은하들을 형성할 뿐이므로, 새로운 광원들은 없었다. 우주에서 유일한 광자들(전자기 복사 또는 "빛")은 분리 중에 방출되는 광자들(오늘날 우주 마이크로파 배경으로 볼 수 있음)과 때때로 수소 원자들에서 방출되는 21cm 전파 방출이었다. 분리된 광자들은 처음에는 밝은 옅은 주황색 빛으로 우주를 채웠을 것이며, 약 300만년 후에는 점차적으로 보이지 않는 파장으로 적색편이되어, 가시광선이 없게 되었다. 이 기간을 우주 암흑 시대(Dark Ages)라고 한다.

약 2억 ~ 5억 년의 어느 시점에서, 가장 초기 세대의 별들과 은하들이 형성되고(정확한 타이밍은 아직 연구 중임), 또한 우주 전체에 이미 뭉쳐지기 시작한 거품-같은 암흑 물질 은하 필라멘트들에 이끌려, 초기의 거대한 구조들이 점차 나타난다. 가장 초기 세대의 별들은 아직 천문학적으로 관찰되지 않았다. 그것들은 거대하고(태양질량의 100-300배) 비금속성일 수 있으며, 오늘날 우리가 보는 대부분의 별들에 비해 수명이 매우 짧기 때문에, 일반적으로 수소 연료를 모두 태우고 단지 수백만 년 후에 높은 에너지의 쌍불안정성 초신성들로서 폭발한다.[7] 다른 이론에 따르면 작은 별들이 포함되었을 수 있으며, 일부는 오늘날에도 여전히 타오르고 있다고 제안한다. 어느 쪽이든, 이 초기 세대의 초신성들은 오늘날 우리 주변에서 볼 수 있는 대부분의 일상적인 원소들을 만들어냈고, 우주에 그것들로 씨를 뿌렸다.

은하단들과 초은하단들은 시간이 지남에 따라 나타난다. 어떤 시점에서는, 가장 초기의 별들, 왜소은하들, 그리고 아마도 퀘이사들의 고에너지 광자들은 약 2억5000만 년에서 5억 년 사이에 점진적으로 시작하여 약 10억 년 정도(정확한 타이밍은 아직 연구 중임)에 끝나는 재전리 기간에 이른다. 암흑 시대는 우주가 오늘날 우리 주변에서 볼 수 있는 우주로 점차 전환되면서 약 10억 년 만에 완전히 끝났지만, 그러나 거대한 타원은하들과 달리, 더 밀도가 높고, 더 뜨겁고, 별 형성이 더 강렬하며, 또한 더 작은 (특별히 금지되지 않은) 나선은하들과 불규칙은하들이 더 풍부하다.

초기 별들은 관찰되지 않았지만, 일부 은하들은 우주시 약 4억 년(재전리 시작 직후인, 적색편이 z≈11.1에서 GN-z11)부터 관찰되었다. 이것들은 현재 별들과 은하들에 대한 우리의 초기 관측이다. 2021년에 발사된 제임스 웹 우주 망원경은 이것을 z≈20 (우주시 1억8000만 년)으로 되돌리기 위해 의도된 것으로, 최초의 은하들(≈2억7000만년)과 초기 별들(≈1억에서 1억8000만 년)을 보기에 충분하다.