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照亮宇宙的第一縷光從何而來

來源:解放日報(bào)

作者:

2017-07-16 08:02:07

宇宙大爆炸后大概30萬年,進(jìn)入了黑暗時(shí)代。在那漫長的日子里,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?

中國科技大學(xué)王俊賢教授和中科院上海天文臺鄭振亞研究員及其合作者近日觀測獲得了一個(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)表在國際一流天體物理期刊《天體物理快報(bào)》上。美國國家光學(xué)天文臺當(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)的信號是來自宇宙微波背景輻射。二十世紀(jì)六十年代初,美國兩位科學(xué)家為改進(jìn)衛(wèi)星通訊,建立了高靈敏度的號角式接收天線系統(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,一般會結(jié)合宇宙早期星系的研究,如對那個(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)家們探測宇宙再電離的關(guān)鍵手段,因?yàn)檫@一發(fā)射線光子會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),是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王俊賢教授發(fā)起組織的一個(gè)國際研究項(xiàng)目,由中國、美國和智利三國天文學(xué)家參加,中科院率先行動“百人計(jì)劃”青年俊才候選人、上海天文臺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,由于觀測上的挑戰(zhàn),國際上對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“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

[責(zé)任編輯:楊凡、徐紅梅]

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