宇宙的黑暗时代

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2025-03-17 12:00

正文

当启蒙运动的钟声震碎中世纪的黑暗纪元的时候，彼时的人类尚对宇宙几乎一无所知，更不会知晓， 在宇宙的历史上，也曾有过这样一段黑暗时代 。

/ 链接百亿年的黑暗时期

十四世纪的佛罗伦萨，但丁在《神曲》中描绘地狱时，或许不会想到他所身处的时代在六百年后会被冠以"黑暗中世纪"之名。中世纪下半段，随着东罗马帝国的逐步灭亡，欧洲文明进入了一滩淤泥之中，文化、经济和社会的发展纷纷迎来停滞甚至倒退，这段著名的衰退时期也因此被称为 “黑暗时期 ” 。

手持《神曲》的但丁。

这个被文艺复兴人文主义者刻意塑造的历史意象，恰如其分地隐喻了宇宙演化史上最神秘的篇章—— 在创世大爆炸的余晖消散后，整个宇宙曾坠入持续一亿年的绝对黑暗 。就像中世纪的修道院在战火中保存文明火种，这个被现代天体物理学家称为 "宇宙黑暗时期"（Cosmic Dark Ages） 的阶段，实则是 恒星诞生的前夜 ，是光明重临前的必要蛰伏。

大爆炸后38万年的宇宙已冷却至3000开尔文（K），这个温度临界点让自由电子终于能与质子结合为中性氢原子（H I）。就像暴风雨后逐渐沉淀的泥沙，带电粒子的结合使原本混沌的宇宙变得透明，释放出一批至今仍能观测到的光子—— 宇宙微波背景辐射（CMB） 。这道充斥天宇的辉光，是 宇宙发出的第一缕可探测电磁波 。时至今日我们仍然能接收到这部分辐射，在卫星电视的信号干扰中，仍旧混入了10%左右的宇宙微波背景辐射信号。

在卫星电视的信号干扰中，我们仍能看到宇宙诞生时的余晖。

至此大爆炸时期结束，宇宙进入黑暗时期。

/ 被星光刺破的

黑暗之海

在这片中性氢的海洋中，恒星和星系都尚未形成，没有光源的宇宙浸没在一片黑暗里。但就在这样的混沌之中， 暗物质构筑的引力网络已悄然成型 。这些不可见的物质像深海中的洋流，在密度稍高处形成暗晕结构。暗物质构成的宇宙骨架在此时期展现出惊人的建筑天赋。通过数值模拟可见，这些非重子物质构成的纤维状结构在三维空间延展，交叉节点处形成质量达百万太阳质量的暗晕。 这些不可见的引力势阱，将成为未来星系孕育的摇篮 。原始气体在这些引力陷阱中缓慢聚集，密度波动幅度以每年百万分之一的速率增长，如同冰层下悄然膨胀的冰晶。

暗物质之外的重子物质几乎全部由大爆炸核合成时产生的氢与氦组成 。这些原始气体在暗晕中的运动遵循独特的动力学规律。没有恒星辐射压的干扰，气体通过暗物质引力获得角动量，形成旋转的盘状结构。此时的宇宙没有尘埃颗粒，缺乏碳、氧等金属元素，气体唯一的冷却方式依赖氢分子的转动跃迁。当两个氢原子在第三粒子的见证下结合成氢分子时，会通过释放微弱的红外光子带走热量——这种效率极低的冷却机制，如同在闷热夏夜仅靠一杯冰水降温，迫使气体云必须积累到更致密的状态才能触发坍缩。但是暗晕之中，湍流耗散机制使气体逐渐沉向中心，中心密度则以指数形式增长，为引力不稳定创造条件。

从宇宙大爆炸到星系的诞生。

第一代恒星就诞生于这样的密度极点，分子氢被引力挤压在一起，当某处气体云达到金斯不稳定性临界条件时，引力终于战胜热压力，引发失控坍缩。核心温度突破1000万开尔文（K）时，宇宙在这一刻迎来了划时代的时刻—— 氢核聚变被点燃 。

这颗由纯氢氦构成、表面温度超过10万开尔文的超级恒星，发出的紫外线比现代恒星强烈百万倍。这个瞬间也标志着 初代恒星的诞生 ，这些巨恒星质量可达太阳的数十甚至数百倍，虽然它们的寿命不过几千万年，但还是成为了点亮了宇宙的最初的一抹萤火。

这片由中性氢组成的黑暗之海的深处，点点星光正开始尝试刺破这片深渊，早期宇宙的黑暗时期也开始走向终结。

/ 鸿蒙初开，终结黑暗

黑暗时期的宇宙是这样的沉寂，这些初代恒星的光子甚至无法突破周边的 中性氢屏障 。这些原始的气体可以吸收和散射几乎整个电磁波谱的光子，而它们又恰巧是早期宇宙中最为丰富的重子物质。最早期的恒星和星系所辐射出的光子，就像是滴入了海洋中的一滴墨水一般，难以将整个汪洋染色。

宇宙微波背景辐射对应的温度图，图中显示了非常微小的涨落。

但是，星星之火亦可燎原，随着星系和恒星在氢、氦元素富集的暗物质晕中不断形成，它们所逸散出的强烈紫外辐射将重新电离四周的中性氢，使得整个宇宙走向黎明。就像中世纪修道院中偶然擦亮的火石，这些原始光源逐渐驱散黑暗，开启再电离纪元。

詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）近期观测到红移高达14的古老星系， 其强烈的莱曼阿尔法辐射证实了再电离时期的存在 。这些130亿光年外的古老星光，正是穿越时空的使者，向我们诉说宇宙如何走出漫漫长夜。

EIGER项目中，JWST观测到的宇宙年龄仅为9亿年时存在的星系。这些星系看起来比附近的星系更加混乱，也更年轻，并正在积极形成恒星。

对于早期星系的观测发现，这一电离过程大约在 宇宙大爆炸之后6.8亿年之后 开始，进而持续了超过4亿年的时间，才将目前的可观测宇宙完全电离。而这个时代，如同中世纪黑暗时期之后的文艺复兴时期一般，在天文学上也被称之为 “再电离时期” 。在这个时期，大部分中性氢都被早期恒星和星系所辐射出的紫外线破坏，使得宇宙再度变得清晰透明起来。红外线、可见光等波段的电磁辐射得以不受阻碍地自由穿梭在这片时空中。

/ 探寻最早的宇宙信标

利用现有的技术手段，科研人员已经得以观测到宇宙在黑暗时期之后的各种天体，比如 高红移的星系 和 类星体 。然而在黑暗时期中却几乎没有可以观测的发光天体，如何对这一时期的宇宙进行观测宇宙始终是一个困难的问题。要知道宇宙的黑暗时期是整个时空结构开始形成的阶段，保存着最古老的原初密度扰动等信息，这让科学家们对这一时期的宇宙非常感兴趣。

有趣的是，宇宙的黑暗时期并非在整个电磁波谱上都保持着静默，在寂静幽暗的宇宙深处， 氢原子正以无声的“心跳”传递着宇宙最古老的秘密 。这种名为 21厘米中性氢谱线 的特殊信号，是天文学家解读早期宇宙演化史的终极密码。当氢原子中电子与质子自旋方向发生翻转时，这一精细结构会释放出波长21厘米（频率1.42GHz）的微弱电磁波——这个量子世界的细微震颤，却承载着破解宇宙黑暗时期的关键信息。

尽管这一精细结构辐射发生的概率不足十万分之一，但中性氢作为宇宙中最丰富的元素，其数量足以使21厘米辐射成为遍布宇宙的天然示踪剂。在宇宙大爆炸38万年后，随着光子退耦， 中性氢海洋 逐渐形成，其辐射的21厘米信号携带了早期宇宙结构形成的完整记忆。就像考古学家通过碳14测定文物年代， 科学家通过测量21厘米信号的红移值，可以构建出宇宙从黑暗时期到再电离纪元的四维演化图谱 。

德国马克斯·普朗克射电望远镜和澳大利亚CSIRO射电望远镜数据制作的21厘米中性氢谱线下的中性氢全天分布图，银河系水平穿过图像的中间。 / Benjamin Winkel

探测21厘米谱线堪称现代天文学最艰巨的挑战之一。这种信号比银河系背景辐射弱百万倍，相当于在飓风呼啸中分辨蝴蝶振翅。更何况宇宙黑暗时期的中性氢原子所辐射出的21厘米谱线，随着宇宙膨胀已经红移到了几十兆赫兹甚至是更低的频段，对应的波长将达到米级甚至十米量级。这一波段的电磁波难以穿透地球大气中的电离层，在地面上也将收到各种无线电波的干扰。

正是因此，迄今为止30兆赫兹以下波段的天文学观测仍然几乎是一片空白。但是科学家们并不打算放弃这一宝贵的早期宇宙留下的信息宝库，他们将目光望向了夜空中的那一轮玉盘。

/ 月基望远镜，

科幻照进现实

进入太空时代之后，空间天文观测成为了可能。1968年美国发射了射电天文探索者1号（RAE-1）卫星以进行空间射电天文探测可行性测试，然而受到来自地球的强烈天然辐射以及人工噪声的干扰，研究人员们发现在近地轨道进行射电观测是极为困难的。

5年之后，1973年美国发射的 射电天文探索者2号（RAE-2）卫星 选择进驻月球轨道，并且成功发现月球足以阻挡来自地球的干扰以获得极佳的射电观测环境。受限于当时的技术水平，这颗卫星所获得的射电图像精度极低。

中国嫦娥四号在月背着陆时，同样搭载了用于低频射电探测的科学载荷，用以探测月昼时的太阳低频射电特征与月表低频辐射环境。搭载于 鹊桥中继卫星 上的低频射电探测器能够与其进行协同探测。

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