宇宙的黑暗時代是如何結束的？科學家為何要從氫原子裡尋找答案？

曾經有科學家推測，在第一顆恆星誕生的數百萬年前，整個宇宙是一片黑暗的海洋。大約從宇宙大爆炸後的40萬年開始，到此後的數億年間，被科學家們稱為宇宙的黑暗時代。黑暗時代的太空真的是空的，沒有恆星，沒有行星，更沒有生命，只有大爆炸形成的大量氫原子霧在無邊的黑暗中飄蕩。

今天，世界各地的望遠鏡正試圖捕捉到這些原始的氫原子（科學家們稱之為中性氫），以確定宇宙黑暗時代的終結和第一個星系形成的重要時刻。儘管這些古老的原子仍然難以捉摸，但澳大利亞內陸的一個研究小組，可能比以往任何時候都更接近找到它們。

MWA射電望遠鏡

根據最近發表在《天體物理學雜誌》（Astrophysical Journal）上的一項最新研究，天文學家們利用Murchison寬場陣列（MWA）射電望遠鏡深入觀察宇宙的過去，尋找中性氫的特徵波長。雖然科學家們還沒有找到他們想要的東西——然而，利用望遠鏡最近更新的陣列上的新設置，研究小組確定了中性氫信號強度的最低極限。

「我們可以滿懷信心地說，如果中性氫信號比我們在論文中設定的極限強，那麼望遠鏡就會探測到它，」研究報告的合著者、羅德島布朗大學物理學助理教授喬納森·波伯（Jonathan Pober）說。這意味著尋找這些古老分子的工作仍在進行，現在研究人員知道中性氫的足跡甚至比預期的要微弱。

在早期宇宙中流動的能量是如此強大，以至於每個原子的電子都被分割，所有的原子都只剩下一個正電荷。根據科學家們的說法，宇宙中誕生的第一種原子是帶正電荷的氫離子。幾十萬年後，宇宙冷卻和膨脹到足以讓這些氫離子重新獲得電子，再次變成中性的氫原子。這個時候的宇宙除了這些氫原子外，什麼都沒有，一片空蕩蕩。

因此，這些中性氫原子被認為是宇宙黑暗時代的主要特徵，科學家們只要探尋到這些氫原子在一百多億年前發射出來的輻射，就有了探索宇宙黑暗時代的關鍵線索。（最終，當足夠多的原子聚集在一起形成第一顆恆星時，這些原子又被這些恆星輻射的能量再次電離，重新變成了氫離子。）

科學家們知道，中性氫的輻射波長為21釐米——然而，隨著宇宙在過去120億年中不斷膨脹，這些波長也變得越來越長。這項新研究的作者估計中性氫的波長已經延伸到了2米左右，這就是他們使用MWA在天空中搜尋的信號。

問題是，有許多輻射源（包括人造的和天體的）在發射相同波長的輻射，怎麼才能從中分辨出中性氫原子的輻射呢？波伯說：「所有這些其他信號源都比我們試圖探測到的信號強很多個數量級。即使是從恰好經過望遠鏡上方的飛機上反射出來的調頻無線電信號，也足以汙染數據。」

因此，波伯和他的同事們寫了一套方程式，在他們的觀察中識別並排除這些幹擾。在對天空拍攝了1200多張無線電波快照後，研究人員確定，他們發現的每一個2米的排放痕跡都來自他們所尋找的中性氫以外的地方。

雖然目前珍貴的原子信號仍未被發現，但新的研究成功地縮小了未來尋找中性氫的範圍。根據研究人員的說法，這些結果有力地證明了MWA實驗正在引導這一搜尋行動沿著正確的道路前進。隨著進一步的研究，宇宙黑暗時代最後的遺蹟可能很快就會被曝光。