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想搞懂宇宙如何演化或许只需要……10亿年？

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2025-02-11 11:23

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在大爆炸发生后的数百万年里，宇宙中翻腾的粒子团逐渐冷却， 整个宇宙陷入了一片黑暗与沉寂 。那时的宇宙，还没有闪耀的恒星点亮夜空，没有我们熟悉的旋涡星系，更没有行星的踪迹， 整个宇宙仿佛被一层中性氢的 “幕布” 紧紧笼罩着 。

随后， 大约在大爆炸发生后的1亿年 ，宇宙开始悄然发生变化。在随后的10亿多年间，它从一片平淡无奇的荒芜景象，逐渐演变成了一个充满活力、丰富多彩的世界。这一重大转变，始于 第一批恒星的诞生 ： 这些恒星开始燃烧时，不仅释放出了热量，还孕育出了新的物质 ，并且它们发出的强烈光芒开始“撕裂”弥漫在宇宙中的氢气，即 电子从氢原子中被剥离出来 ，这使得宇宙中含量最为丰富的元素—— 氢，大部分变成了如今依然保持的 电离状态 。

宇宙发展历程：大爆炸产生了一群炽热且电离的亚原子粒子（结构比原子更小的粒子）团。几十万年后，中性原子开始形成于“复合” 过程中。紧接着，宇宙迎来了 “黑暗时代”，整个宇宙都充斥着中性氢。然而，在大爆炸发生 1 亿多年后的某个时刻，第一批恒星点亮了宇宙的黎明，它们的光芒从氢气中 “拽” 出电子，宇宙也由此逐渐重新电离。图片来源：日本国立天文台

这个 氢形态发生转变的关键时期 ，被称为“ 再电离时代 ”。它始于宇宙的黎明，并演化到了拥有各种奇妙结构和特征的现代宇宙时代。可以说，“再电离时代”是宇宙发展的主要舞台，其见证了宇宙的成长历程。德克萨斯大学奥斯汀分校的理论天体物理学家朱利安・穆尼奥斯（Julian Muñoz）曾表示：“ 再电离是我们宇宙发生的最后一次重大转变。 ” 因为在那10 亿年左右的时间里，宇宙万物都发生了巨变，而 在此后的数十亿年里，宇宙的变化则相对较小 。

尽管现有理论描述了再电离这一重大转变可能是如何发生的，但 我们对宇宙的认知仍存在许多疑问 。比如，第一批恒星究竟何时形成？它们发出的光线又是何时引发了宇宙的再电离？哪种星系在这一过程中发挥的作用最大？黑洞又扮演了怎样的角色？再电离在时空维度上是如何发展的？对于暗物质本质等其他宇宙奥秘而言，它又能提供哪些线索呢？

如今，随着科技的发展，全新的科研工具不断出现，科学家们得以深入回溯宇宙最初的10亿年，这使得上述一些答案正逐渐变得触手可及。例如，2021年发射的 詹姆斯・韦布空间望远镜 （JWST），正 聚焦于大爆炸后仅数亿年就已存在的星系 ，并且不断带来令人惊喜的发现； 下一代射电望远镜将目光投向了曾经弥漫于整个宇宙空间的中性氢 ，这些氢气为我们了解再电离时代的发展以及宇宙的其他特征提供了重要线索。

光芒四溢：早期宇宙的星系与光

目前，我们对早期宇宙发展的认知大致如下： 138亿年前，大爆炸发生 ，宇宙开始膨胀，由亚原子粒子构成的原始 “浓汤” 逐渐冷却。在最初的一秒内，质子和中子形成；随后的 几分钟 里，它们结合形成了原子核。大约 38万年 后，原子核开始捕获电子，第一批原子就此诞生。这一电离 “浓汤” 转变为中性原子的里程碑事件，被称为 “复合”（不过这其实是个误称，因为在此之前，原子核和电子从未结合过）。在电子被捕获形成原子之前，自由电子就像汽车前灯照射下的浓雾一样，剧烈散射着光线。但随着电子被束缚，光子得以在宇宙中自由传播。如今， 这些光子以一种微弱的形式抵达地球 ，这就是我们熟知的 宇宙微波背景辐射 。

随后，宇宙进入了“ 黑暗时代 ”：宇宙中弥漫大量氢气和少部分氦气，没有太多能够产生光的物质。然而，此时的暗物质团却在悄然吸引着周围的气体，在大爆炸发生1亿年或更久之后，部分气体凝聚到一定程度，引发了 核聚变 反应， 第一批恒星 便在宇宙的黎明中诞生了。随着这些早期恒星的燃烧，它们发出的电离紫外线开始从所在星系逃逸，并产生了电离氢气团。这些气团不断膨胀、合并，最终填满了整个宇宙。

詹姆斯・韦布空间望远镜有望解答许多关于 早期星系以及它们的光线是如何推动再电离过程 的。这台望远镜在使用初期聚焦于很多 大爆炸发生后不到6亿年就已存在的星系 ，帮助科学家们 不断发现更古老的星系 。比如，在2022年末，科学家发现了在大爆炸发生后仅 3.5亿年就已出现的星系 ，这是当时发现的最古老星系；而这一记录并没有保持多久便被刷新，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）及其同事于2024年中宣布发现了一个大爆炸发生后仅 2.9亿年 的星系。

目前来看，随着研究的深入，詹姆斯・韦布空间望远镜带来了许多宝贵的信息，但也对人们的认知带来了更多的冲击：

（1） 早期宇宙中的星系数量以及它们包含的恒星数量远超科学家的预期。 2023年，6 个大爆炸发生后7亿年内形成的星系引发了关注，因为尽管处于宇宙早期，但它们的恒星却能与如今拥有600亿个太阳恒星的银河系相媲美。由于宇宙标准理论无法解释 为何这么早就有如此多的恒星形成 ，因此这些星系便被科学家称为“ 宇宙破坏者 ”。

科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家埃丽卡・纳尔逊（Erica Nelson）是这些星系相关论文的合著者之一，她表示：“这意味着早期宇宙要么比我们想象的 更加混乱、更具爆发性 ，要么宇宙中的 事物演化速度比我们认为的更快 。”

JADES-GS-z14-0星系，拍摄于詹姆斯・韦布空间望远镜，它打破了已知最遥远星系的记录，形成于大爆炸发生后的 2.9 亿年。图片来源：美国国家航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局、空间望远镜科学研究所、布兰特・罗伯逊（加州大学圣克鲁兹分校）、布赖恩・约翰逊（哈佛 - 史密松天体物理中心）、斯特凡诺・塔切拉（剑桥大学）、帕特里克・卡吉尔（哈佛 - 史密松天体物理中心）

这些发现促使科学家重新审视星系的演化过程，也引发了关于再电离的诸多重大问题。

（2） 这些星系产生的光线远远超出使宇宙再电离所需要的量，这意味着再电离应该发生的比人们现在所认知的更早。 巴黎天体物理研究所的天体物理学家哈基姆・阿泰克（Hakim Atek）及其同事发现，即使是詹姆斯・韦布空间望远镜观测到的最暗淡的早期星系， 产生的再电离光线也是预期数量的四倍 。尽管这些星系亮度较低，但数量众多，只依靠它们几乎便可以使宇宙完成再电离。

而且詹姆斯･韦布空间望远镜还发现了一些迹象，表明超大质量黑洞在宇宙历史中形成的时间比想象的要早得多｡它们在吞噬周围物质时产生的高能辐射也会对再电离有所贡献｡

以上种种表明，再电离应该发生的比人们现在所认知的更早，如穆尼奥斯及其同事在2024年发表的一篇题为“Reionization after JWST: a photon budget crisis?（詹姆斯・韦布空间望远镜之后的再电离：光子预算危机？）”的论文中指出：基于现有的光线数量， 宇宙应该比我们已知的时间更早完成再电离 。这一问题的确切答案，至今仍是天文界的谜题。

在氢中寻找线索：探索再电离的新途径

其他研究则通过使用下一代射电望远镜， 追踪早期宇宙中不同时期中性氢的含量，以此探寻再电离的过程 。

科学家们已经通过多种方式对氢进行探测。例如，宇宙微波背景辐射的散射情况，为我们提供了自大爆炸后约38万年光线发射以来再电离总量的线索；对 类星体 （由正在吞噬物质的黑洞产生的明亮辐射源）产生的光的探测（中性氢在其射向观测者的路径上，会吸收类星体特定波长的光），也是一种确定中性氢的方法，

以上的方法面临着多种困难，如类星体探测中， 随着追溯到更早的时期，类星体的数量会越来越少 。因此，科学家们现在试图探测中性氢自身发出的射电信号，并尝试追溯到其在被电离之前的时期。这种射电信号源于中性氢原子中电子的量子跃迁，此跃迁会发射出波长为21厘米的少量电磁辐射，这种信号因此被称为 “ 21厘米谱线 ”，虽然并不常见，但 当中性氢大量存在时，就有可能被探测到 。

21厘米谱线自20世纪50年代以来就已被探测到, 其作用不止于追踪中性氢的分布，它还能像 “温度计” 一样，帮助科学家更好地 了解宇宙温度 ，包括何时以光或热的形式向星系间介质注入能量的线索。因此 21厘米谱线已在天文学中得到了广泛应用 ，但人们目前尚未从早期宇宙中明确探测到它｡

天文学家们推测 这种信号的能量可能来自第一批恒星和正在吞噬物质的黑洞 ，也可能暗示着一些更为奇特的现象，比如暗物质与自身的相互作用或暗物质与常见物质之间未知的相互作用。穆尼奥斯指出，这些相互作用可能会使星系间介质升温或降温。而21 厘米谱线便是研究这些过程的一种有效途径，它能提供其他方式无法获得的信息。

“ 氢再电离时代阵列 ”（HERA）是众多探测21厘米谱线信号的射电望远镜的其中之一，与以复杂和昂贵著称的詹姆斯・韦布空间望远镜不同的是，HERA的设备更为 “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就像是由聚氯乙烯管、金属丝网和电线杆等低成本材料制成的一样。HERA由350个射电天线组成，分布在南非北开普省0.05平方千米的区域内。

虽然望远镜本身的技术含量不高，但观测过程需要最先进的信号处理和数据分析技术。这是因为 这种信号本身非常微弱 ，需要在来自银河系和其他星系的强烈射电噪声中被识别出来。因此，狄龙将探测21厘米信号比作 在一场音乐会上， 当低音强度是高音10万倍时去分辨高音 。

HERA 望远镜由位于南非的 350 个射电天线组成，旨在探测早期宇宙中弥漫的中性氢发出信号的波动。图片来源：南非射电天文台

中性氢在宇宙中分布的存在变化，会引起21厘米谱线信号的空间变化 ，HERA便旨在对这种空间变化进行统计测量，这有助于我们了解氢气以及恒星和星系的分布情况同时，还有其他团队在致力于进行整体测量，即 获取整个太空的平均信号 。由于技术方法不同，不同的测量方式可以相互验证。

对中性氢探测得到的结果同样超出了现有理论的框架，研究人员开始使用 暗物质 来解释这些结果。如2018年，“探测再电离时代全球特征实验”（EDGES）的研究人员报告称，探测到了对应于第一批恒星的光线开始与周围氢相互作用时期的平均21厘米谱线信号，然而 这个信号比预期的更强 （表明氢气温度比预测的更低） ，这引发了人们对该发现的诸多质疑。一些研究人员认为 氢与暗物质之间的相互作用 可能是一种解释，但这需要一些特殊的物理现象来支持。德国海德堡大学的观测宇宙学家莎拉・博斯曼（Sarah Bosman）对此曾表示：“人们有很多新奇的理论解释这一发现，但这些理论必须新奇，因为普通物理无法解释 EDGES 观测到的信号强度。”博斯曼承认自己是少数对这一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，以证实或反驳该结果。她说：“它为这个领域带来了很大的推动。”

此外，HERA 和其他望远镜是平方千米阵（SKA）的先行者，而平方千米阵将试图绘制整个天空的21厘米谱线信号图，它会把南非和澳大利亚的射电天线连接起来，建成有史以来最大的射电望远镜。SKA目前仍在建设中，在2024年已连接两个站点，并获取了第一批数据。

更好的工具，更深入的认知：探索宇宙的未来展望

博斯曼指出：目前没人能确定从21厘米信号中会获得哪些信息，它可能只需 对现有的宇宙演化模型进行 微调，也可能 揭示出全新的物理学理论 ，彻底改变我们对宇宙的认知。因此现在下结论还为时尚早。

但狄龙认为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 大爆炸发生后大约1亿年到10亿年 这个时间段的情况，虽然这段时间只占宇宙总寿命的不到 10%，但由于宇宙的持续膨胀，这段时间内的区域 涵盖了可见宇宙约一半的体积 。

未来将有更多的仪器助力科学家进一步回溯宇宙历史。目前，许多国家都有关于在太空甚至月球上建造新射电望远镜的提案，因为 在太空中可以避免地球的干扰 。英国剑桥大学天文研究所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 被地球电离层反射导致难以测量 ，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结果将与詹姆斯・韦布空间望远镜对早期星系的观测结果、其继任者南希・格雷斯・罗曼空间望远镜的观测数据、未来像正在智利建造的欧洲极大望远镜这样的地面天文台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，类星体研究同样还有很大的探索空间。他与同事在2023年的《天文学与天体物理学年度评论》中发表了关于早期宇宙类星体的研究成果。按照他的观点， 类星体在识别 “宇宙中最后仍保留着中性氢的区域” 方面非常有用 ，最年轻的恒星、星系，或者孕育它们的物质，很可能就存在于这些区域中。而这些早期恒星产生的微量元素，可能与现代恒星有所不同。如果类星体发出的光线在古老气云中揭示出这些 微量元素 ，这可能意味着我们发现了古老的恒星群体，甚至可能是 第一批恒星 。

对此，西姆科曾说：“这将意味着我们终于找到了它们。而我们探索的核心目标，就是弄清楚 宇宙中的复杂性何时出现？宇宙究竟何时开始呈现出如今的模样？ ” 探寻宇宙奥秘的征程充满未知，目前确实无人知晓这些问题的答案何时能水落石出。但西姆科坚信，现有的观测工具，以及那些即将问世的新设备，都蕴藏着巨大的潜力，足以攻克这些难题。在他看来，人类正不断靠近这些终极答案，就像已经站在门前，轻轻叩响那扇通往真相的大门。随着科技的持续进步，或许在不远的将来，宇宙演化历程中那些关键节点的神秘面纱，就会被一一揭开，呈现在人类眼前。

作者： Elizabeth Quill

翻译：凉渐

审校：7号机

原文链接： When everything in the universe changed

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