想搞懂宇宙如何演化或许只需要……10 亿年

在宇宙经历了数百万年的大爆炸后，诞生的粒子团逐渐冷却，整个宇宙陷入了无比幽暗的沉寂。当时的宇宙，缺乏闪亮的恒星来照亮夜空，更没有我们所熟悉的旋涡星系和任何行星的存在，整个宇宙似乎被一层中性氢的“帷幕”覆盖。

大约在大爆炸之后的1亿年，宇宙开始发生微妙的变化。在接下来的10亿年里，原本单调的宇宙逐渐演变成一个充满生机的多彩世界。这一伟大的变革源于第一批恒星的出现：当这些恒星开始核聚变，释放热能的同时，它们也创造出新的物质，它们的强光开始“撕裂”弥漫在宇宙中的氢气，使得电子从氢原子中被释放出来，这使得宇宙中最丰富的元素——氢，大多转变为持续存在的离子化状态。

这一氢转变的至关重要时期被称为“再电离时代”。这一阶段始于宇宙的黎明，逐步演变成现代宇宙的奇特结构和特征。可以说，“再电离时代”是宇宙发展的重要阶段，见证了宇宙的演化历程。德克萨斯大学奥斯汀分校的理论天体物理学者朱利安・穆尼奥斯（Julian Muñoz）表示：“再电离是宇宙发生的最后一次重大变化。”因此在这段大约10亿年的历史中，宇宙经历了巨大的变化，而随后数十亿年宇宙的变化则相对较缓慢。

尽管已有理论探讨了再电离的可能发生机制，我们对于宇宙的许多方面仍然存在诸多疑问。例如，第一批恒星何时形成？它们发出的光线为何能引发宇宙的再电离？在这一过程中哪些星系的作用最大？黑洞的角色又是什么？再电离在时空维度上如何演变？关于暗物质本质的其它宇宙秘闻，它又能提供什么线索呢？

随着科技的不断进步，全新的科研仪器陆续出现，科学家们得以深入研究宇宙最初的10亿年，这使得上述问题的答案逐渐显现。例如，2021年发射的詹姆斯・韦布空间望远镜（JWST），专注于探测大爆炸后仅几亿年的星系，并不断带来令人振奋的发现；下一代射电望远镜则关注于曾经弥漫在整个宇宙的中性氢，这些氢气是理解再电离时代及宇宙其他特征的重要线索。

星系的光辉：早期宇宙的星系与光线

目前我们对早期宇宙的理解大致如下：138亿年前的宇宙大爆炸后，宇宙开始膨胀，由微小的粒子构成的原始“汤”逐渐冷却。在最初的一秒内，质子和中子形成；在接下来的几分钟里，它们结合形成了原子核。约38万年后，原子核开始捕获电子，第一批原子随之诞生。这一电离“汤”变为中性原子的里程碑事件，称为“复合”（尽管这一称呼存在误导，因为在此之前，原子核与电子从未结合过）。在电子被吸引成原子之前，自由电子犹如透过汽车前灯照射的浓雾般，剧烈散射着光。而随着电子的捕获，光子可以在宇宙中自由传播。如今，这些光子以微弱的形式到达地球，这便是我们熟悉的宇宙微波背景辐射。

接着，宇宙进入了“黑暗时代”：大量氢气和少量氦气漫游在宇宙中，没有多少能够产生光的物质。然而，这时的暗物质团正在悄然吸引周围的气体。在大爆炸发生1亿年或更久之后，部分气体聚集到一定程度，触发了核聚变反应，宇宙的黎明中第一批恒星便这样诞生了。随着这些早期恒星的燃烧，它们发出的电离紫外线开始从其所在星系逃逸，并形成电离氢气团。这些气团不断膨胀并合并，最终充盈整个宇宙。

詹姆斯・韦布空间望远镜正在努力解答许多关于早期星系及其光如何推动再电离过程的关键问题。这台望远镜在使用初期便聚焦于多个大爆炸发生后不到6亿年的星系，帮助科学家们不断发现更古老的星系。例如，在2022年末，科学家发现了一个在大爆炸发生后仅3.5亿年就已形成的星系，这被认为是当时所知最古老的星系；然而这一记录未维持多久，因加州大学圣克鲁兹分校的天体物理学家布兰特・罗伯逊（Brant Robertson）及其团队在2024年中宣布发现了一个仅2.9亿年后的星系。

目前来看，随着研究的深入，詹姆斯・韦布空间望远镜收获了大量宝贵信息，但同时也对现有认知带来了更多冲击：

（1）早期宇宙中星系数量及其恒星数量远超科学家的预期。2023年，六个大爆炸后7亿年内形成的星系令人瞩目，因为尽管它们存在于宇宙早期，但却展现出与现代银河系相媲美的600亿个太阳恒星的恒星数量。由于目前的宇宙标准模型无法解释为何如此之早就能形成如此多恒星，这些星系因此被称为“宇宙破坏者”。

科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学者埃丽卡・纳尔逊（Erica Nelson）是这些星系相关论文的合著者之一，她表示：“这表明早期宇宙要么比我们想象的更为复杂，要么宇宙中的演化速度快于我们预期。”

这些发现促使科学家重新审视星系的演化过程，并引发了有关再电离的重要问题。

（2）这些星系的光量远超实现宇宙再电离所需的量，这意味着再电离可能发生的比我们当前预计的更早。巴黎天体物理研究所的天体物理学者哈基姆・阿泰克（Hakim Atek）及其同事发现，甚至在最暗淡的早期星系中，产生的再电离光线远远超出预期的四倍。尽管这些星系的亮度较低，但鉴于其数量庞大，仅靠它们便足以完成宇宙的再电离。

而且詹姆斯・韦布空间望远镜还发现了证据表明，超大质量黑洞形成的时间比预想的早得多。它们在吞噬周围物质时产生的高能辐射同样能对再电离产生影响。

这一现象一再表明，再电离应发生的比当前预期要早。如穆尼奥斯及其同事在2024年发表的“Reionization after JWST: a photon budget crisis?”（詹姆斯・韦布空间望远镜后的再电离：光子预算危机？）一文中提到，基于现有光线数量，宇宙应该比我们已知的时间更早完成再电离。有关这一问题的确切答案，至今仍是天文学界的谜。

氢的线索：探索再电离的新方法

其他研究则借助下一代射电望远镜，跟踪早期宇宙中不同时间段的中性氢含量，以探寻再电离的过程。

科学家们已通过多种方法探测氢。例如，宇宙微波背景辐射的散射，为我们提供了自大爆炸后大约38万年的再电离总量线索；对类星体（由正在吞噬物质的黑洞发出的明亮辐射源）的光进行探测（中性氢在它通向观察者时，会吸收类星体特定波长的光），也是寻找中性氢的一种方法。

不过以上方法面临挑战，例如在探测类星体时，随着追溯到更久远的时期，类星体数量会逐渐减少。因此，科学家们正试图探测中性氢自身发出的射电信号，以追溯其在电离之前的状态。这种射电信号源自中性氢原子中电子发生的量子跃迁，会发出波长为21厘米的微量电磁辐射，这种信号称为“21厘米谱线”，虽然并不常见，但当中性氢大量存在时，有可能被探测到。

自20世纪50年代以来，21厘米谱线的探测不仅有助于追踪中性氢的分布，还可作为“温度计”，为科学家提供更好的宇宙温度解析，包括在何时以光或热的形式向星际介质注入能量的线索。因此，21厘米谱线在天文学中广泛应用，但迄今为止尚未从早期宇宙中明确探测到。

天文学家们推测这种信号的来源可能与第一批恒星及正在吞噬物质的黑洞有关，也可能暗示着更奇特的现象，例如暗物质相互作用或暗物质与常规物质之间的未知相互作用。穆尼奥斯指出，这些交互可能使星际介质温度升高或降低，而21厘米谱线则是研究这些过程的一种有效途径，它能提供无法通过其他方式获得的数据。

“氢再电离时代阵列”（HERA）便是众多挖掘21厘米谱线信号的射电望远镜之一，与复杂且昂贵的詹姆斯・韦布空间望远镜相比，HERA的构造更加“接地气”。根据加州大学伯克利分校的天体物理学家乔希・狄龙（Josh Dillon）的描述，HERA如同是由聚氯乙烯管、金属丝网和电线杆等廉价材料所制成。HERA共有350个射电天线，分布在南非北开普省的0.05平方千米区域内。

尽管望远镜的技术水平较低，但观察过程中却需要最新的信号处理和数据分析技术。这是因为这种信号极为微弱，需要在来自银河系及其它星系的噪声中被识别。狄龙形容探测21厘米信号就像在音乐会上，在低音音量是高音的十万倍的情况下去分辨高音。

中性氢在宇宙中的存在变化会导致21厘米谱线信号的空间波动，HERA的任务便是对这种波动进行统计测量，以帮助了解氢的分布，以及恒星和星系的情况。同时，其他团队也致力于进行整体测量，获取宇宙的平均信号。不同测量方式的技术方法不同，导致可以相互验证。

对中性氢的探测结果同样超过现有理论框架，研究人员开始借助暗物质来阐释这些结果。如2018年“探测再电离时代全球特征实验”（EDGES）的研究小组报告称，他们探测到与第一批恒星的光开始与周围氢相互作用的时期对应的平均21厘米谱线信号，然而信号强度超过预期（说明氢气温度比预测的更低），这使得这一发现引发了诸多争议。一些研究人员认为氢与暗物质的相互作用可能是解释的关键，但这需要某些特殊的物理现象来加以支持。德国海德堡大学的观测宇宙学者莎拉・博斯曼（Sarah Bosman）表示：“人们提出了很多新的理论来解释这一发现，但这些理论必须十分新颖，因为普通物理无法解释EDGES观测到的信号强度。”她承认，自己是为数不多对此发现充满热情的人之一，她认为这一发现激励了研究人员开展其他实验，以证实或否定这一结果。她表示：“它为这个领域注入了新的活力。”

此外，HERA和其他望远镜是平方千米阵（SKA）的先锋，而平方千米阵的目标是绘制整个天空的21厘米谱线信号图，它将连接南非和澳大利亚的射电天线，构建有史以来最大的射电望远镜。SKA目前仍在建设中，预计到2024年连接两个站点并获取第一批数据。

更好的工具与更深入的理解：宇宙探索的未来展望

博斯曼指出，目前尚无定论能够从21厘米信号中获取哪些信息，可能只是对现有宇宙演化模型进行微调，也有可能揭示全新的物理理论，彻底改变人们对宇宙的理解。因此，现在下结论仍为时尚早。

然而，狄龙认为21厘米谱线未来有望提供“最大规模的数据集”，其最终目标是探测大爆炸发生后约1亿年至10亿年的情况。这段时间虽然只占宇宙总寿命的不到10%，但因宇宙持续膨胀，这段时间的区域涵盖了可见宇宙的一半体积。

未来将会有更多仪器助力科学家进一步回顾宇宙的历史。目前，多个国家正在考虑在太空甚至月球上建立新射电望远镜的提议，因为在太空中可以避开地球的干扰。剑桥大学的宇宙学家和天体物理学家阿纳斯塔西娅・菲亚尔科夫（Anastasia Fialkov）指出，最古老的21厘米谱线信号到达地球时，其波长会受到地球电离层反射而变得难以测量，而太空或月球上的望远镜能够解决这一问题。

关于21厘米谱线信号的探测成果，将与詹姆斯・韦布空间望远镜对早期星系的观测、其继任者南希・格雷斯・罗曼空间望远镜的数据，以及未来像正在智利建设的欧洲极大望远镜的观测结果一起进行研究。

同时，麻省理工学院的西姆科（Simcoe）指出，类星体的研究同样充满了探索潜力。他与同事在2023年的《天文学与天体物理学年度评论》上发表了早期宇宙类星体的研究成果。他认为，类星体非常有用，可以帮助识别“宇宙中最后保留中性氢的区域”，最年轻的恒星、星系，或孕育它们的物质很可能存在于这些区域。而这些早期恒星所产生的丰富微量元素，可能与现代恒星的成分有所不同。如果类星体发出的光在古老气云中揭示这些微量元素，这可能意味着我们找到了一些古老的恒星群体，甚至可能是第一批恒星。

西姆科表示：“这将意味着我们终于找到它们。我们的探索核心目标，就是弄清楚宇宙的复杂性何时出现？宇宙何时开始呈现其如今的面貌？”探寻宇宙奥秘的征途满载未知，目前无人知晓这些问题的确切答案何时才能揭晓。但西姆科坚信，现有的观察工具及即将推出的新设备将蕴藏巨大潜力，足以帮助解决这些难题。他认为，人类正在一步步接近这些终极答案，就如同正站在门前，轻轻叩响那扇通向真相的大门。随着科技的持续进步，或许在不远的将来，宇宙演化过程中的关键节点的神秘面纱将被逐一揭开，展现在人类面前。

撰稿：Elizabeth Quill

翻译：凉渐

审校：7号机

原文链接：当宇宙一切都发生改变时

本文源自微信公众号：中科院物理所（ID：cas-iop），撰稿：Elizabeth Quill

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