照亮宇宙的第一縷光從何而來？早期星系樣本揭秘

­　　宇宙大爆炸后大概30萬年，進(jìn)入了黑暗時(shí)代。在那漫長(zhǎng)的日子里，時(shí)間幾乎是凝固的，沒有恒星，沒有星系，整個(gè)宇宙被中性氫所充滿。

­　　再次照亮宇宙的第一縷光從何而來？宇宙何時(shí)開始變得明亮？

­　　資料圖：太空

­　　中國(guó)科技大學(xué)王俊賢教授和中科院上海天文臺(tái)鄭振亞研究員及其合作者近日觀測(cè)獲得了一個(gè)宇宙早期(大爆炸后約8億年，約為宇宙當(dāng)前年齡6%時(shí))的星系樣本，并由此發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的宇宙中星際介質(zhì)里氫的電離比例約50%。正如黎明之前的黑暗，在這個(gè)黑暗時(shí)代末期，宇宙第一代恒星和星系開始形成，它們發(fā)出的紫外光輻射電離了周圍的中性氫，使得整個(gè)宇宙開始一點(diǎn)點(diǎn)明亮起來。

­　　近日，這一突破性進(jìn)展發(fā)表在國(guó)際一流天體物理期刊《天體物理快報(bào)》上。美國(guó)國(guó)家光學(xué)天文臺(tái)當(dāng)?shù)貢r(shí)間7月11日，以“遙遠(yuǎn)的星系揭開宇宙黑暗時(shí)代末期的面紗”為題專門撰文報(bào)道了此項(xiàng)研究突破。

­　　一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問題

­　　先來看一下宇宙的前世今生吧。

­　　大約138億年以前，我們的宇宙形成于一次大爆炸，當(dāng)時(shí)的溫度達(dá)到10億攝氏度以上。氫元素和氦元素，就是這個(gè)時(shí)候產(chǎn)生的。大爆炸確定了氫和氦元素各自的比例，氫元素大概占整體數(shù)目的90%左右(質(zhì)量上占75%)。

­　　想象一下，整個(gè)宇宙當(dāng)時(shí)就是一鍋熱粥，氫元素處于電離狀態(tài)，那個(gè)時(shí)候的宇宙是明亮的。而隨著溫度下降，宇宙漸漸冷下來，曾經(jīng)處于電離狀態(tài)的氫元素變成了中性氫元素，它可以吸收宇宙中的紫外光，從而束縛住這些光子，使其無法自如到達(dá)遠(yuǎn)方。宇宙大爆炸后大概30萬年，整個(gè)宇宙陷入了一片黑暗之中。

­　　然而，在這宇宙的黑暗時(shí)期，在引力作用下，宇宙的結(jié)構(gòu)開始逐步形成：氫元素形成了第一代恒星和星系，第一代恒星的質(zhì)量可能非常大，相當(dāng)于幾百個(gè)太陽。這些恒星聚變時(shí)產(chǎn)生了大量的紫外光子，產(chǎn)生了許多像氣泡一樣的電離泡。隨著電離作用加快，在某個(gè)特殊階段，整個(gè)宇宙的星際介質(zhì)再次變成電離環(huán)境，從而結(jié)束了宇宙的黑暗時(shí)代。

­　　這個(gè)過程被稱之為“再電離”。雖然天文學(xué)家知道其發(fā)生于宇宙大爆炸后大約3億年至10億年之間，宇宙第一代星系在其中起到了顯著作用，但確定再電離的細(xì)致過程以及第一代星系何時(shí)形成一直是天體物理前沿一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問題。

­　　宇宙8億年，“大霧”開始消散

­　　假設(shè)宇宙大爆炸時(shí)的一個(gè)光子，在歲月的長(zhǎng)河中，一直不停歇地奔跑著，科學(xué)家們?nèi)绻軌蚪庾x出它所攜帶的信息，就能窺見宇宙早期的樣子。我們現(xiàn)在可以看到的宇宙，最遠(yuǎn)的信號(hào)是來自宇宙微波背景輻射。二十世紀(jì)六十年代初，美國(guó)兩位科學(xué)家為改進(jìn)衛(wèi)星通訊，建立了高靈敏度的號(hào)角式接收天線系統(tǒng)。為了降低噪音，他們甚至清除了天線上的鳥糞，但依然有消除不掉的背景噪聲。這正是宇宙微波背景輻射造成的，這一發(fā)現(xiàn)為他們贏得了1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

­　　盡管宇宙微波背景輻射是研究宇宙再電離時(shí)期的一種重要方法，但這種方法有局限，一般會(huì)結(jié)合宇宙早期星系的研究，如對(duì)那個(gè)特殊時(shí)段的類星體、伽馬爆和恒星形成星系的研究，來獲得再電離的演化歷史。然而宇宙早期類星體的數(shù)目非常少，而早期宇宙伽馬爆又很難捕捉到，故而早期宇宙的恒星形成星系現(xiàn)在是研究宇宙再電離的熱點(diǎn)。這些宇宙早期天體所輻射的萊曼阿爾法光子，一直是科學(xué)家們探測(cè)宇宙再電離的關(guān)鍵手段，因?yàn)檫@一發(fā)射線光子會(huì)被宇宙間彌散的中性氫原子散射。如果說宇宙整體的中性氫環(huán)境就像一場(chǎng)大霧，這些早期宇宙中的萊曼阿爾法星系就像大霧中的車燈，被遮擋得有些模糊。一旦周圍環(huán)境開始電離，大霧會(huì)漸漸變?nèi)酰鹊綒湓赝耆婋x，大霧也就消失了。

­　　“宇宙再電離時(shí)期的萊曼阿爾法星系”(英文縮寫LAGER)，是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王俊賢教授發(fā)起組織的一個(gè)國(guó)際研究項(xiàng)目，由中國(guó)、美國(guó)和智利三國(guó)天文學(xué)家參加，中科院率先行動(dòng)“百人計(jì)劃”青年俊才候選人、上海天文臺(tái)鄭振亞研究員是該項(xiàng)目的共同組織者。

­　　宇宙年齡8億年處是宇宙再電離研究的最前沿，由于觀測(cè)上的挑戰(zhàn)，國(guó)際上對(duì)這一宇宙年齡及更遙遠(yuǎn)的萊曼阿爾法星系的類似搜尋工作，在過去10年間進(jìn)展十分緩慢。LAGER 在第一個(gè)目標(biāo)天區(qū)探測(cè)到了宇宙年齡在8億年處的23例萊曼阿爾法發(fā)射線星系。這批樣本也是該宇宙年齡處獲得的最大星系樣本。分析發(fā)現(xiàn)，萊曼阿爾法星系的數(shù)目在宇宙年齡10億年處大概是宇宙年齡8億年處的4倍。“這表明宇宙再電離的過程始于更早期，在宇宙年齡8億年處仍然未完成，大概處于一半電離一半電中性的狀態(tài)，并且是非均勻的。”論文第一作者鄭振亞研究員說。

­　　這個(gè)結(jié)果意味著，宇宙在它當(dāng)前年齡不到6%處，這場(chǎng)“大霧”已經(jīng)開始消散(50%電離)；很大比例的早期宇宙第一代星系則形成于宇宙年齡8億年之前。記者 黃海華