何為宇宙「黑暗時代」？

2020-11-17 科學新視野

「宇宙微波背景是我們宇宙中最古老的光，當宇宙剛剛38萬歲時刻在天空上。它顯示出微小的溫度漲落，對應著局部密度的細微差異，代表著所有未來的結構，是當今的恆星與星系的種子」

我們能看見的宇宙

1964年，美國射電天文學家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜偶然發現了一個充滿整個宇宙的3K電磁輻射，這就是我們今天講的宇宙微波背景輻射，1978年，兩人共享諾貝爾物理學獎。

充滿整個宇宙的2.725K背景輻射

微波背景輻射是宇宙大爆炸遺留下來的一種熱輻射，在宇宙年齡的38萬年開始從混沌的宇宙中自由馳騁宇宙，只不過在經過137億年的「冷卻」，變成了今天接近絕對零度的3k熱輻射，這一發現讓我們得以瞥見38萬年的「嬰兒宇宙」。

望遠鏡猶如時間機器，我們看到的是宇宙的過去。 ——史蒂芬.霍金

近年來，伴隨著望遠鏡技術的大發展，我們人類能看見的宇宙越來越遠，越來越早期，古老的宇宙面貌好似將被我們一眼窺盡。

但很遺憾，越早期的宇宙，發光的天體就越少，加上古老的光子在前往地球的漫長宇宙空間旅途中， 很多在中途就被一粒灰塵、一顆恆星和一個星系吸收或者散射了。更不巧的時，突破重重障礙的古老光子， 到達地球已經被膨脹的宇宙拉伸到紅外波段，這對於本身就是一個以紅外輻射為主要的地球，無疑是一個巨大的觀測汙染源。

遙遠古老的星系

所有的種種原因，最終導致的結果是——我們能在電磁波譜頻段觀測到的早期宇宙，只能是133億年左右。而微波背景輻射特殊在我們只能了解宇宙38萬年那個節點上的信息，前後的「嬰兒宇宙」我們通過背景輻射沒法進一步了解。

宇宙的「黑暗時代」

那38萬年後到133億年前的這大約5億年的時間段，宇宙暗黑無界，宇宙學家稱個時間段為宇宙的「黑暗時代」。

Dark Ages——宇宙的「黑暗時代」

這個時代之前，宇宙的重子物質，包括質子和中子，以及它們組成的大量氫原子和少量的氦原子，剛剛和光子「脫耦」，所謂的脫耦可以簡單理解為相互作用減少。隨後，氫原子和氦原子沒了光子的吸收和釋放，變得不在活蹦亂跳，整個宇宙溫度由此快速下降，宇宙變得暗淡無光，又冷又靜，宇宙進入「黑暗時代」。

5億年的黑暗時代後，宇宙體積增大為原來的數百倍，大量的星系和恆星形成並放出光芒，黑暗無際的宇宙開始有了光亮，宇宙的「黑暗時代」結束，再電離的「恆星時代」開始。

從沒有恆星、星系的時代，通過一個黑暗的5億年時代，宇宙體積猛增，並且變成了一個有恆星和星系的「恆星時代」，這不得不讓我們好奇——這5億年宇宙發生了什麼？

這不僅我們好奇，宇宙學家和物理學家也很好奇，也很想知道，這也是我們研究它的意義。

21釐米線

宇宙不可理解之處，在於它是可理解的。 ——阿爾伯特.愛因斯坦

宇宙的「黑暗」時代，並非完全不可見，「21釐米線」的發現，成了我們現在了解黑暗時代的一個窗口。

氫原子的能級躍遷

所謂的21釐米線，指的是中性氫原子因為兩個超精細結構子能級變化而產生的電磁波譜線，而對於黑暗時代的宇宙，沒有光子的轟擊，沒有高溫的電離，宇宙幾乎到處都是中性氫原子。

更加難能可貴的是，處於射電頻段的21釐米線的傳播很難受宇宙星際物質的阻擋，它幾乎可以很容易地自由穿梭在整個宇宙。人類可以通過射電望遠鏡來捕獲來自遠古的「21釐米線」，以此了解宇宙的黑暗時代發生了些什麼，進一步揭示宇宙早期恆星星系的形成機制，甚至撥開有關暗物質和暗能量的一些奧秘。

宇宙早期的星系

實際上，「21釐米線」不止在研究宇宙的黑暗時代大顯身手。1952年，人類通過研究來自銀河系的21釐米射電，繪製出了第一張銀河系中性氫的地圖，以此首度揭示銀河螺旋臂的結構。

銀河系21釐米線發射分布圖

除此之外，21釐米線也被四十多年前的先驅者10號和11號刻在鍍金鋁板的左上角，作為建立和外星文明聯繫的一種宇宙「普通話」，帶著人類文明的榮耀和驕傲，飛向了深空。

圖片來源網絡，侵刪。

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