在大爆炸發(fā)生后的數(shù)百萬(wàn)年里，宇宙中翻騰的粒子團(tuán)逐漸冷卻，整個(gè)宇宙陷入了一片黑暗與沉寂。那時(shí)的宇宙，還沒(méi)有閃耀的恒星點(diǎn)亮夜空，沒(méi)有我們熟悉的旋渦星系，更沒(méi)有行星的蹤跡，整個(gè)宇宙仿佛被一層中性氫的“幕布”緊緊籠罩著。
隨后，大約在大爆炸發(fā)生后的 1 億年，宇宙開(kāi)始悄然發(fā)生變化。在隨后的 10 億多年間，它從一片平淡無(wú)奇的荒蕪景象，逐漸演變成了一個(gè)充滿活力、豐富多彩的世界。這一重大轉(zhuǎn)變，始于第一批恒星的誕生：這些恒星開(kāi)始燃燒時(shí)，不僅釋放出了熱量，還孕育出了新的物質(zhì)，并且它們發(fā)出的強(qiáng)烈光芒開(kāi)始“撕裂”彌漫在宇宙中的氫氣，即電子從氫原子中被剝離出來(lái)，這使得宇宙中含量最為豐富的元素 —— 氫，大部分變成了如今依然保持的電離狀態(tài)。
這個(gè)氫形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，被稱為“再電離時(shí)代”。它始于宇宙的黎明，并演化到了擁有各種奇妙結(jié)構(gòu)和特征的現(xiàn)代宇宙時(shí)代?？梢哉f(shuō)，“再電離時(shí)代”是宇宙發(fā)展的主要舞臺(tái)，其見(jiàn)證了宇宙的成長(zhǎng)歷程。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的理論天體物理學(xué)家朱利安?穆尼奧斯（Julian Mu?oz）曾表示：“再電離是我們宇宙發(fā)生的最后一次重大轉(zhuǎn)變。”因?yàn)樵谀?10 億年左右的時(shí)間里，宇宙萬(wàn)物都發(fā)生了巨變，而在此后的數(shù)十億年里，宇宙的變化則相對(duì)較小。
盡管現(xiàn)有理論描述了再電離這一重大轉(zhuǎn)變可能是如何發(fā)生的，但我們對(duì)宇宙的認(rèn)知仍存在許多疑問(wèn)。比如，第一批恒星究竟何時(shí)形成？它們發(fā)出的光線又是何時(shí)引發(fā)了宇宙的再電離？哪種星系在這一過(guò)程中發(fā)揮的作用最大？黑洞又扮演了怎樣的角色？再電離在時(shí)空維度上是如何發(fā)展的？對(duì)于暗物質(zhì)本質(zhì)等其他宇宙奧秘而言，它又能提供哪些線索呢？
如今，隨著科技的發(fā)展，全新的科研工具不斷出現(xiàn)，科學(xué)家們得以深入回溯宇宙最初的 10 億年，這使得上述一些答案正逐漸變得觸手可及。例如，2021 年發(fā)射的詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST），正聚焦于大爆炸后僅數(shù)億年就已存在的星系，并且不斷帶來(lái)令人驚喜的發(fā)現(xiàn)；下一代射電望遠(yuǎn)鏡將目光投向了曾經(jīng)彌漫于整個(gè)宇宙空間的中性氫，這些氫氣為我們了解再電離時(shí)代的發(fā)展以及宇宙的其他特征提供了重要線索。
光芒四溢：早期宇宙的星系與光
目前，我們對(duì)早期宇宙發(fā)展的認(rèn)知大致如下：138 億年前，大爆炸發(fā)生，宇宙開(kāi)始膨脹，由亞原子粒子構(gòu)成的原始“濃湯”逐漸冷卻。在最初的一秒內(nèi)，質(zhì)子和中子形成；隨后的幾分鐘里，它們結(jié)合形成了原子核。大約 38 萬(wàn)年后，原子核開(kāi)始捕獲電子，第一批原子就此誕生。這一電離“濃湯”轉(zhuǎn)變?yōu)橹行栽拥睦锍瘫录?，被稱為“復(fù)合”（不過(guò)這其實(shí)是個(gè)誤稱，因?yàn)樵诖酥?，原子核和電子從未結(jié)合過(guò)）。在電子被捕獲形成原子之前，自由電子就像汽車前燈照射下的濃霧一樣，劇烈散射著光線。但隨著電子被束縛，光子得以在宇宙中自由傳播。如今，這些光子以一種微弱的形式抵達(dá)地球，這就是我們熟知的宇宙微波背景輻射。
隨后，宇宙進(jìn)入了“黑暗時(shí)代”：宇宙中彌漫大量氫氣和少部分氦氣，沒(méi)有太多能夠產(chǎn)生光的物質(zhì)。然而，此時(shí)的暗物質(zhì)團(tuán)卻在悄然吸引著周圍的氣體，在大爆炸發(fā)生 1 億年或更久之后，部分氣體凝聚到一定程度，引發(fā)了核聚變反應(yīng)，第一批恒星便在宇宙的黎明中誕生了。隨著這些早期恒星的燃燒，它們發(fā)出的電離紫外線開(kāi)始從所在星系逃逸，并產(chǎn)生了電離氫氣團(tuán)。這些氣團(tuán)不斷膨脹、合并，最終填滿了整個(gè)宇宙。
詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡有望解答許多關(guān)于早期星系以及它們的光線是如何推動(dòng)再電離過(guò)程的。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡在使用初期聚焦于很多大爆炸發(fā)生后不到 6 億年就已存在的星系，幫助科學(xué)家們不斷發(fā)現(xiàn)更古老的星系。比如，在 2022 年末，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了在大爆炸發(fā)生后僅 3.5 億年就已出現(xiàn)的星系，這是當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的最古老星系；而這一記錄并沒(méi)有保持多久便被刷新，加州大學(xué)圣克魯茲分校的天體物理學(xué)家布蘭特?羅伯遜（Brant Robertson）及其同事于 2024 年中宣布發(fā)現(xiàn)了一個(gè)大爆炸發(fā)生后僅 2.9 億年的星系。
目前來(lái)看，隨著研究的深入，詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡帶來(lái)了許多寶貴的信息，但也對(duì)人們的認(rèn)知帶來(lái)了更多的沖擊：
（1）早期宇宙中的星系數(shù)量以及它們包含的恒星數(shù)量遠(yuǎn)超科學(xué)家的預(yù)期。2023 年，6 個(gè)大爆炸發(fā)生后 7 億年內(nèi)形成的星系引發(fā)了關(guān)注，因?yàn)楸M管處于宇宙早期，但它們的恒星卻能與如今擁有 600 億個(gè)太陽(yáng)恒星的銀河系相媲美。由于宇宙標(biāo)準(zhǔn)理論無(wú)法解釋為何這么早就有如此多的恒星形成，因此這些星系便被科學(xué)家稱為“宇宙破壞者”。
科羅拉多大學(xué)博爾德分校的天體物理學(xué)家埃麗卡?納爾遜（Erica Nelson）是這些星系相關(guān)論文的合著者之一，她表示：“這意味著早期宇宙要么比我們想象的更加混亂、更具爆發(fā)性，要么宇宙中的事物演化速度比我們認(rèn)為的更快。”
這些發(fā)現(xiàn)促使科學(xué)家重新審視星系的演化過(guò)程，也引發(fā)了關(guān)于再電離的諸多重大問(wèn)題。
（2）這些星系產(chǎn)生的光線遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出使宇宙再電離所需要的量，這意味著再電離應(yīng)該發(fā)生的比人們現(xiàn)在所認(rèn)知的更早。巴黎天體物理研究所的天體物理學(xué)家哈基姆?阿泰克（Hakim Atek）及其同事發(fā)現(xiàn)，即使是詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的最暗淡的早期星系，產(chǎn)生的再電離光線也是預(yù)期數(shù)量的四倍。盡管這些星系亮度較低，但數(shù)量眾多，只依靠它們幾乎便可以使宇宙完成再電離。
而且詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡還發(fā)現(xiàn)了一些跡象，表明超大質(zhì)量黑洞在宇宙歷史中形成的時(shí)間比想象的要早得多?它們?cè)谕淌芍車镔|(zhì)時(shí)產(chǎn)生的高能輻射也會(huì)對(duì)再電離有所貢獻(xiàn)?
以上種種表明，再電離應(yīng)該發(fā)生的比人們現(xiàn)在所認(rèn)知的更早，如穆尼奧斯及其同事在 2024 年發(fā)表的一篇題為“Reionization after JWST: a photon budget crisis?（詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡之后的再電離：光子預(yù)算危機(jī)？）”的論文中指出：基于現(xiàn)有的光線數(shù)量，宇宙應(yīng)該比我們已知的時(shí)間更早完成再電離。這一問(wèn)題的確切答案，至今仍是天文界的謎題。
在氫中尋找線索：探索再電離的新途徑
其他研究則通過(guò)使用下一代射電望遠(yuǎn)鏡，追蹤早期宇宙中不同時(shí)期中性氫的含量，以此探尋再電離的過(guò)程。
科學(xué)家們已經(jīng)通過(guò)多種方式對(duì)氫進(jìn)行探測(cè)。例如，宇宙微波背景輻射的散射情況，為我們提供了自大爆炸后約 38 萬(wàn)年光線發(fā)射以來(lái)再電離總量的線索；對(duì)類星體（由正在吞噬物質(zhì)的黑洞產(chǎn)生的明亮輻射源）產(chǎn)生的光的探測(cè)（中性氫在其射向觀測(cè)者的路徑上，會(huì)吸收類星體特定波長(zhǎng)的光），也是一種確定中性氫的方法，
以上的方法面臨著多種困難，如類星體探測(cè)中，隨著追溯到更早的時(shí)期，類星體的數(shù)量會(huì)越來(lái)越少。因此，科學(xué)家們現(xiàn)在試圖探測(cè)中性氫自身發(fā)出的射電信號(hào)，并嘗試追溯到其在被電離之前的時(shí)期。這種射電信號(hào)源于中性氫原子中電子的量子躍遷，此躍遷會(huì)發(fā)射出波長(zhǎng)為 21 厘米的少量電磁輻射，這種信號(hào)因此被稱為“21 厘米譜線”，雖然并不常見(jiàn)，但當(dāng)中性氫大量存在時(shí)，就有可能被探測(cè)到。
21 厘米譜線自 20 世紀(jì) 50 年代以來(lái)就已被探測(cè)到, 其作用不止于追蹤中性氫的分布，它還能像“溫度計(jì)”一樣，幫助科學(xué)家更好地了解宇宙溫度，包括何時(shí)以光或熱的形式向星系間介質(zhì)注入能量的線索。因此 21 厘米譜線已在天文學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用，但人們目前尚未從早期宇宙中明確探測(cè)到它?
天文學(xué)家們推測(cè)這種信號(hào)的能量可能來(lái)自第一批恒星和正在吞噬物質(zhì)的黑洞，也可能暗示著一些更為奇特的現(xiàn)象，比如暗物質(zhì)與自身的相互作用或暗物質(zhì)與常見(jiàn)物質(zhì)之間未知的相互作用。穆尼奧斯指出，這些相互作用可能會(huì)使星系間介質(zhì)升溫或降溫。而 21 厘米譜線便是研究這些過(guò)程的一種有效途徑，它能提供其他方式無(wú)法獲得的信息。
“氫再電離時(shí)代陣列”（HERA）是眾多探測(cè) 21 厘米譜線信號(hào)的射電望遠(yuǎn)鏡的其中之一，與以復(fù)雜和昂貴著稱的詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡不同的是，HERA 的設(shè)備更為“接地氣”。根據(jù)加州大學(xué)伯克利分校的天體物理學(xué)家喬希?狄龍（Josh Dillon）的描述，HERA 就像是由聚氯乙烯管、金屬絲網(wǎng)和電線桿等低成本材料制成的一樣。HERA 由 350 個(gè)射電天線組成，分布在南非北開(kāi)普省 0.05 平方千米的區(qū)域內(nèi)。
雖然望遠(yuǎn)鏡本身的技術(shù)含量不高，但觀測(cè)過(guò)程需要最先進(jìn)的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析技術(shù)。這是因?yàn)?strong>這種信號(hào)本身非常微弱，需要在來(lái)自銀河系和其他星系的強(qiáng)烈射電噪聲中被識(shí)別出來(lái)。因此，狄龍將探測(cè) 21 厘米信號(hào)比作在一場(chǎng)音樂(lè)會(huì)上，當(dāng)?shù)鸵魪?qiáng)度是高音 10 萬(wàn)倍時(shí)去分辨高音。
中性氫在宇宙中分布的存在變化，會(huì)引起 21 厘米譜線信號(hào)的空間變化，HERA 便旨在對(duì)這種空間變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)量，這有助于我們了解氫氣以及恒星和星系的分布情況同時(shí)，還有其他團(tuán)隊(duì)在致力于進(jìn)行整體測(cè)量，即獲取整個(gè)太空的平均信號(hào)。由于技術(shù)方法不同，不同的測(cè)量方式可以相互驗(yàn)證。
對(duì)中性氫探測(cè)得到的結(jié)果同樣超出了現(xiàn)有理論的框架，研究人員開(kāi)始使用暗物質(zhì)來(lái)解釋這些結(jié)果。如 2018 年，“探測(cè)再電離時(shí)代全球特征實(shí)驗(yàn)”（EDGES）的研究人員報(bào)告稱，探測(cè)到了對(duì)應(yīng)于第一批恒星的光線開(kāi)始與周圍氫相互作用時(shí)期的平均 21 厘米譜線信號(hào)，然而這個(gè)信號(hào)比預(yù)期的更強(qiáng)（表明氫氣溫度比預(yù)測(cè)的更低），這引發(fā)了人們對(duì)該發(fā)現(xiàn)的諸多質(zhì)疑。一些研究人員認(rèn)為氫與暗物質(zhì)之間的相互作用可能是一種解釋，但這需要一些特殊的物理現(xiàn)象來(lái)支持。德國(guó)海德堡大學(xué)的觀測(cè)宇宙學(xué)家莎拉?博斯曼（Sarah Bosman）對(duì)此曾表示：“人們有很多新奇的理論解釋這一發(fā)現(xiàn)，但這些理論必須新奇，因?yàn)槠胀ㄎ锢頍o(wú)法解釋 EDGES 觀測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度?！辈┧孤姓J(rèn)自己是少數(shù)對(duì)這一發(fā)現(xiàn)充滿熱情的人之一。她認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)激勵(lì)了研究人員開(kāi)展其他實(shí)驗(yàn)，以證實(shí)或反駁該結(jié)果。她說(shuō)：“它為這個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了很大的推動(dòng)。”
此外，HERA 和其他望遠(yuǎn)鏡是平方千米陣（SKA）的先行者，而平方千米陣將試圖繪制整個(gè)天空的 21 厘米譜線信號(hào)圖，它會(huì)把南非和澳大利亞的射電天線連接起來(lái)，建成有史以來(lái)最大的射電望遠(yuǎn)鏡。SKA 目前仍在建設(shè)中，在 2024 年已連接兩個(gè)站點(diǎn)，并獲取了第一批數(shù)據(jù)。
更好的工具，更深入的認(rèn)知：探索宇宙的未來(lái)展望
博斯曼指出：目前沒(méi)人能確定從 21 厘米信號(hào)中會(huì)獲得哪些信息，它可能只需對(duì)現(xiàn)有的宇宙演化模型進(jìn)行微調(diào)，也可能揭示出全新的物理學(xué)理論，徹底改變我們對(duì)宇宙的認(rèn)知。因此現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)尚早。
但狄龍認(rèn)為 21 厘米譜線未來(lái)有望提供“最大規(guī)模的數(shù)據(jù)集”，其最終目標(biāo)是探測(cè)大爆炸發(fā)生后大約 1 億年到 10 億年這個(gè)時(shí)間段的情況，雖然這段時(shí)間只占宇宙總壽命的不到 10%，但由于宇宙的持續(xù)膨脹，這段時(shí)間內(nèi)的區(qū)域涵蓋了可見(jiàn)宇宙約一半的體積。
未來(lái)將有更多的儀器助力科學(xué)家進(jìn)一步回溯宇宙歷史。目前，許多國(guó)家都有關(guān)于在太空甚至月球上建造新射電望遠(yuǎn)鏡的提案，因?yàn)?strong>在太空中可以避免地球的干擾。英國(guó)劍橋大學(xué)天文研究所的宇宙學(xué)家和天體物理學(xué)家阿納斯塔西婭?菲亞爾科夫（Anastasia Fialkov）指出：最古老的 21 厘米譜線信號(hào)到達(dá)地球時(shí)，其波長(zhǎng)會(huì)被地球電離層反射導(dǎo)致難以測(cè)量，而太空或月球上的望遠(yuǎn)鏡能夠解決這一問(wèn)題。
關(guān)于 21 厘米譜線信號(hào)的探測(cè)結(jié)果將與詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)早期星系的觀測(cè)結(jié)果、其繼任者南希?格雷斯?羅曼空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)、未來(lái)像正在智利建造的歐洲極大望遠(yuǎn)鏡這樣的地面天文臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果一起進(jìn)行研究。
同時(shí)，麻省理工學(xué)院的西姆科（Simcoe）指出，類星體研究同樣還有很大的探索空間。他與同事在 2023 年的《天文學(xué)與天體物理學(xué)年度評(píng)論》中發(fā)表了關(guān)于早期宇宙類星體的研究成果。按照他的觀點(diǎn)，類星體在識(shí)別“宇宙中最后仍保留著中性氫的區(qū)域”方面非常有用，最年輕的恒星、星系，或者孕育它們的物質(zhì)，很可能就存在于這些區(qū)域中。而這些早期恒星產(chǎn)生的微量元素，可能與現(xiàn)代恒星有所不同。如果類星體發(fā)出的光線在古老氣云中揭示出這些微量元素，這可能意味著我們發(fā)現(xiàn)了古老的恒星群體，甚至可能是第一批恒星。
對(duì)此，西姆科曾說(shuō)：“這將意味著我們終于找到了它們。而我們探索的核心目標(biāo)，就是弄清楚宇宙中的復(fù)雜性何時(shí)出現(xiàn)？宇宙究竟何時(shí)開(kāi)始呈現(xiàn)出如今的模樣？”探尋宇宙奧秘的征程充滿未知，目前確實(shí)無(wú)人知曉這些問(wèn)題的答案何時(shí)能水落石出。但西姆科堅(jiān)信，現(xiàn)有的觀測(cè)工具，以及那些即將問(wèn)世的新設(shè)備，都蘊(yùn)藏著巨大的潛力，足以攻克這些難題。在他看來(lái)，人類正不斷靠近這些終極答案，就像已經(jīng)站在門前，輕輕叩響那扇通往真相的大門。隨著科技的持續(xù)進(jìn)步，或許在不遠(yuǎn)的將來(lái)，宇宙演化歷程中那些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的神秘面紗，就會(huì)被一一揭開(kāi)，呈現(xiàn)在人類眼前。
作者：Elizabeth Quill
翻譯：涼漸
審校：7 號(hào)機(jī)
原文鏈接：When everything in the universe changed
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Elizabeth Quill
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