宇宙於何時甦醒？

2020-09-05 天文在線

簡介：一組天文學家在一項新的研究中發現了一些最古老的星系。他們發現，當宇宙剛剛6億8千萬歲時，這些天體就已經完全形成了。這些天體或許可以告訴我們宇宙醒來的時間和形成過程。

通過把光淬火氫原子轉化為電離氣體，紫外線光在這個過程中形成了疊加，其間充滿了電離氫氣體的巨大氣泡貫穿了早期的宇宙。圖源：NASA, ESA,V. Tilvi(ASU)

對於我們的宇宙來說，第一批星星的誕生是一個重要的時刻，但是對於科學家來說，這一刻是難以捉摸的。

不過新的研究表明，一個天文學家團隊確認了一些從未被發現的古老星系。據科學家的發現，這些星系在宇宙只有6億8千萬歲的時候就形成了，同時科學家們也證明了這些星系的周圍放射出極強的紫外線輻射。

古老的螺旋星系。圖源：Google

然而正是那樣的環境，得以形成了巨大的氣泡，從而給中性的氣體提供能量並使之電離，同時也給了天文學家第一幅宇宙中一次主要轉換紀元的直觀圖像。

黎明之前

很久以前，縱觀宇宙，還沒有一顆發光的星體出現。在我們的宇宙早期，一切都是那麼的相同：各處的密度都幾乎相等。說真的，有那麼一點點無趣。

同時介質的性質也是令人感到壓抑的中性，和宇宙的第一天大相逕庭。更早之前，在大爆炸之後的最初幾百千年的裡，我們的宇宙熱得燙手，等離子體的密度也十分濃稠；摩肩擦踵的碰撞把各個原子撕成了曾組成他們的電子和原子核。

被認為是創世起源的宇宙大爆炸（Big Bang）。圖源：NBC News

但是當宇宙到了380,000歲，足夠成熟的時候，這場混沌就結束了。這時候的物質已充分地傳播開來，溫度也足夠低了，從而電子得以和他們的原子核家族結合併形成了第一個氫原子和氦原子。當這些事件發生的時，大量的輻射被釋放，而這些輻射直到今天仍被我們知曉與熱愛著，它就是宇宙微波背景輻射。

宇宙微波背景，來自宇宙早期的殘餘微波輻射，圖中顏色代表溫度。圖源：Space

上百萬年以來，宇宙始終保持著中性的狀態。但是隨著宇宙的擴展和冷卻，小的種子開始萌芽；出於宇宙中的隨機性，一些氣體的密度逐漸比他們周圍的物質更大。這種微弱的增加給了它們一個很小的重力邊緣，從而將周邊的物質慢慢吸引。因為他們吸引物質後質量增大，所以獲得了比上一次更大的重力影響，繼而又吸引了更多的物質材料他們而來，以此類推……

一點一點地，終於在萬古億年之後，第一代恆星與星系在靜寂、黑暗、中性的宇宙中誕生了。

迄今為止拍攝到的最深邃的天文圖像之一，描繪了天空中一個比滿月小100倍的區域內1萬多個星系，包含一些目前已知的最暗和最遙遠的星系。圖源：NASA; ESA

在破曉中覺醒

我們不了解第一代恆星形成的準確時間，但是我們知道它們誕生時一定是無與倫比地璀璨奪目。因為宇宙就是從這一刻起不再呈中性——而是電離的了。

我們日常生活中接觸的大多數物質是由完整的原子組成的；每一個原子核都被電子層恪盡職守地圍繞著，它們在原子核周圍翩翩起舞，以被稱作「化學」的優美複雜華爾茲旋轉著、相互合成著。

一般的原子基物質，電子圍繞著原子核旋轉。圖源：Flexbook

但是從宇宙中看，這種情況卻是獨一無二。到目前為止，宇宙中絕大多數物質是等離子體，就和宇宙很久很久以前一樣，電子和原子核都自顧自存在著。太陽是什麼？等離子體。其他的恆星呢？等離子體。星雲呢？等離子體。恆星和星雲之間的物質呢？還是等離子體。

等離子體球。電漿體（Plasma)，又叫做等離子體，是除去固、液、氣外，物質存在的第四態，是由原子被電離後產生的正負離子形成的物質狀態。它廣泛存在於宇宙中。圖源：The Plasma Universe

當我們的宇宙還只有38萬歲的時候，它從等離子體轉化成了中性氣體。在130多億年以後的今天，宇宙幾乎又充滿了等離子體。這其間一定發生了什麼事；一定有什麼東西把宇宙中的原子撕裂了。考慮到我們現能觀測到的最年輕宇宙都充滿了電離物質，不管是什麼造成的這次「再電離」，都一定發生在早期，也就是在第一代恆星和星系登場宇宙舞臺之前。

年輕的宇宙假想圖。圖源：James Webb Space Telescope

天文學家認為被第一代恆星（以及它們消逝時的超新星爆炸）放射出的極強紫外輻射將我們的宇宙由變回了等離子體。但令人沮喪的是，我們並不知道確切的時間。即使是最先進的望遠鏡和目前最深入的研究都沒有能力窺視那樣久遠的宇宙。我們可以清晰地看見宇宙微波背景輻射，我們也可以清晰地看見現在的宇宙，但是中間的部分仍是現如今宇宙學的謎。

我們不知道這個被天文學家稱為「宇宙黎明」事件的第一代恆星是什麼時候出現的，也不清楚接下來的「再電離紀元」會什麼時候開始。

一個新發現的星系CR7是已知的最亮的星系，可能包含了宇宙中一些最古老的恆星。圖源：ESO/M. KORNMESSE

吹泡泡

但是那種情形開始了轉變。通過搜尋一個比一個更古老的星系，並伴隨著對他們周圍氣體的研究，我們努力地了解著這段處於重要青春期時期的宇宙的演化過程。一個國際研究團隊發現了三個極端微弱的星系，他們遙遠到了令人難以置信的程度。

古老的三重星系。圖源： Space

這些微小星系在宇宙680百萬歲的時候就已經充分形成了。這並不令人感到驚訝——我們曾發現過比他們還要古老的星。但是在這項研究中，研究人員有了一項新的發現：通過檢測從這個三重星系發射出來的輻射信息，他們發現宇宙已經在它們周圍吹起了等離子體的泡泡。

宇宙中星系旁的等離子泡泡是再電離紀元的明顯信號。圖源：Universe Today

換句話說，從星系中迸射出來的輻射已經開始改變在他們附近的宇宙了，就像少年額頭長出來的青春痘。這也是再電離紀元開始發展的第一個明顯信號。此外，天文學家推斷出宇宙在其第一個十億年生日的時候就完成了再電離，沒有人想到這個過程發生得這麼早。

宇宙歷史時間表：140億年前宇宙大爆炸，新生的宇宙充滿了電離氣體；誕生約30萬年後進入黑暗時期，變得中性；誕生約5億年後第一代恆星和星系誕生，帶領宇宙進入再電離紀元；宇宙誕生約10億年後再電離完成，成為我們現在所看到的宇宙；誕生90億年後太陽系形成；宇宙誕生140億年後的今天，天文學家們把上面說的都搞清楚了！

這些星係為即將推出的詹姆斯韋伯太空望遠鏡提供了完美的目標，而這臺望遠鏡也是為探索這個時期的宇宙歷史所特別設計的。如果方案可行，加上有更多的「再電離」的例子被找到，我們最終有可能理解發生在宇宙初期的世紀革命，一段恢弘而壯烈的歷史。

探索宇宙再電離紀元的詹姆斯韋伯望遠鏡。圖源：ESA

作者: Paul Sutter

FY: 阿贊

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