早期宇宙（Early Universe）一般指宇宙大爆炸时期的宇宙,距今约137亿年前,从宇宙大爆炸开始后大约38万年的时间里,宇宙不断膨胀和冷却,直至等离子体复合为中性原子,光子退耦,此后宇宙进入黑暗时期。有些文献进一步划分了甚早期宇宙（Very Early Universe）, 主要指宇宙能量标度在电弱相互作用标度（100 GeV）以上的时期,该时期宇宙可能发生了暴胀、重子合成等重要过程,其所涉及的物理超出了我们现在已知的粒子物理标准模型,但持续时间非常短暂,也许只有皮秒量级。另一方面,在天文学文献中有时也用“早期宇宙”泛指今日宇宙之前的时期,包括宇宙黑暗时期以及宇宙黎明（第一代恒星和星系形成）时期等。在早期宇宙中,合成了宇宙重子物质主要组分的氢、氮等轻元素,退耦的光子成为宇宙背景辐射,而原初扰动则在早期宇宙中开始发生线性演化,并引起重子声波振荡。通过对宇宙微波背景辐射和宇宙大尺度结构等的研究,可以获建精确描述早期宇宙演化的理论模型。
对早期宇宙的研究在1990年代至21世纪初形成了一个高潮。天文观测手段在这一时期取得了显著进步。宇宙微波背景辐射的各向异性首先于1990年代初被COBE卫星观测到,此后Boomerang、MAXIMA、DASI、ACT、SPT、BICEP等气球和地面实验以及WMAP、Planck等空间观测,不断提高观测精度。利用宇宙微波背景辐射（CMB）角功率谱,人们首次确认了宇宙几何是平直的;同时超新星的观测显示宇宙膨胀在加速,从而揭示了暗能量作为宇宙主要组分的存在;2dF和SDSS等大规模星系红移巡天使我们获得了对物质大尺度结构分布和演化的精确认识;我们进入了精确宇宙学时代。太阳中微子实验和大气中微子实验显示中微子有质量。总结各种天文学观测建立的宇宙学常数冷暗物质模型（COM）成为标准的宇宙学模型理论。结合一些观测得到的半经验规律,该模型可以对宇宙的演化及星系形成等给出较好的定量解释。
自2005年以来的10年间,早期宇宙领域的热点研究主要包括以下几个方面。
（1）观测范围的扩大、观测精度的改进
在CMB方面WMAP和Planck相继多次发布观测数据,实现了更高的角分辨率和更高精度的测量,得到了温度和偏振E模和B模测量结果,以及对星系团SZ效应的观测;l a型超新星的观测也不断扩充。在大尺度结构方面,继2005年SDSS和2dF测到重子声波振荡特征后,SDSS、WiggleZ等巡天又不断改进测量精度,给出了不同红移的测量结果。在利用BAO测量之外,也研究了结构增长因子的测量以及使用这种测量结果对修改引力模型的检验。相应地,人们还研究了与这些观测有关的一些精细效应、检验方法、统计测量方法等。
（2）宇宙起源暗能量、暗物质等方面新的理论模型的提出
如：基于弦论、膜世界理论、全息原理等提出的各种暗能量模型和暴胀模型、相对论性的修改引力理论等;以及使用原初非高斯性检验各种暴胀和非暴胀宇宙起源模型的方法发展。
（3）可能存在的观测与理论不一致之处及奇特现象的研究
如：CMB观测中的一些反常、银河系暗晕子结构、矮星系旋转曲线、宇宙线正电子反常等。随着观测精度的提高,有些反常消失了（如：根据WMAP早期结果拟合得到的再电离发生过早,CMB功率谱中的一些跳跃特征等）,有些初看不一致的现象可以用天体物理原因加以解释（如：暗曼子结构数量可以用反馈效应、再电离影响等解释）,有些反常不如原来明显（如：宇宙线正电子反常）,这些反常现象仍需进一步研究。
（4）第一代恒星形成的理论研究
一些数值模拟曾暗示第一代恒星孤立形成且质量很大（一百太阳质量以上）,但后续更精细的模拟表明,第一代恒星可能仍是成群形成的,且质量没有那么大。这方面理论的深入研究以及银河系中发现的一些极贫金属星也表明,其形成过程相当复杂。然而,迄今为止,这方面的研究仍受限于缺乏观测数据。
（5）仪器和巡天策略与观测误差的研究
科研入员在2005年左右即已认识到,许多重大问题的解决有赖于更大范围和更精密的观测,特别是为了获取精密宇宙学所需的大量统计样本数据,还需要对巡天进行仔细的设计,许多研究人员对各种计划中的仪器和巡天策略与观测误差进行了研究。
总之,在早期宇宙研究领域,相对于令人目不暇接的1995–2005年间的研究成果, 2005–2015年间的研究进展速度有所放缓,这一时期没有出现特别重大的突破,但在观测和理论方面都更为深入和精细。随着观测精度不断提高,人们填补了许多理论模型细节的空白,同时也提出了很多新的理论,并设计、研发了新的仪器,为未来新的研究突破奠定了基础。
近10年来,中国在早期宇宙方面的研究成果主要包括：中国科学院高能物理研究所张新民等对精灵暗能量模型和暴胀宇宙的研究,以及综合各种观测数据的宇宙学模型,毕效军等进行了暗物质湮灭相关的研究;中国科学院理论物理研究所李森、蔡荣根,中国科学技术大学卢建新等人结合弦论、全息原理等对暗能量和暴胀的研究;上海交通大学张鹏杰,中国科学院国家天文台陈学雷、詹虎、赵公博,华中科技大学龚云贵等人对宇宙学模型检验、巡天观测设计等的研究;北京大学范祖辉,北京师范大学朱宗宏、张同杰、夏俊卿,上海交通大学张俊等对引力透镜的研究。如果对早期宇宙研究范围定义得更广泛—些,还有上海交通大学景益鹏、杨小虎等,中国科学院国家天文台高亮、王杰、郭琦,中山大学冯珑珑等在数值模拟与大尺度结构方面的研究;以及中国科学院国家天文台武向平、陈学雷在再电离方面的研究等。在观测实验方面,中国科学院紫金山天文台的常进等开展了暗物质探测实验;上海交通大学季向东、清华大学岳赛等进行了暗物质直接探测实验等。
目前,早期宇宙领域仍存在着许多重大的未解之谜,如：暗物质和暗能量的本质、宇宙的起源等。如果从更广义的概念理解,对第一代恒星、星系、黑洞的形成与宇宙的再电离等也是未来重要的研究突破口。经过10年酝酿,一些实验已取得重要的进展,如：暗物质探测实验已可对一些暗物质模型给出很重要的限制,一批更大更先进的望远镜有望更精确地测量暗能量状态方程,从而最终回答暗能量究竟是否是常数的问题。对于原初引力波探测、再电离时期21 cm信号的实验,也有望在未来10年中实现突破。因此,未来10年,这一领域的发展速度有可能会加快并取得新的突破。
中国早期宇宙领域的研究在过去10年取得了一定发展,但总体发展速度并不快,从论文统计看,在国际上的地位没有发生显著变化,其中的原因还有待进一步探讨。笔者认为,过去10年,中国科学界尽管也认识到这一领域是国际热点之一,但在具体的项目组织中并未对该领域给予特别的关注。考虑到未来的发展前景,有必要对此予以重视。
