天文学家确定了“宇宙黎明”何时发生?

图解:这是欧洲航天局提供的一张描绘再电离纪元的图像。从左到右呈现的是:宇宙中最古老的光,最古老的恒星以及最古老的星系的再电离过程。

天文学家找到了一处源自时间初始的宇宙遗迹,这处遗迹展示了最古老的一批恒星生命伊始的光芒。这项研究也揭露了一条引人注意的线索:暗物质如何影响早期宇宙。

在探讨那处遗迹究竟是什么之前,我们需要重溯到138万亿年前的的大爆炸事件之后。在那时,宇宙是一团旋转的、灼热的等离子体,一堆高密度的、带着高电荷的(或者说高度电离的)粒子。随着这些等离子体冷却,宇宙不断膨胀,大约在宇宙诞生三十七万年后中性氢(由一个质子和一个电子构成的最基础原子)形成。最终,这些中性氢气体在重力作用下聚集一起,构成了能喷发出高能X射线的最古老的的恒星。

然而,“宇宙的黎明”究竟发生于何时仍然一个是开放讨论的问题。时间已过去太久,那些古老的恒星在婴儿期发出的最早的光太微弱了,即使是最先进的天文台也不能观测到。

坐落于西澳大利亚州的一架冰箱大小的无线电天线可以帮助我们解决这场争议。这台设备用于“全天再电离时期信号探测实验”(the Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature, EDGES)。在追寻宇宙黎明的过程中,该项目的研究者们也忙于探索远古辐射的另一来源——宇宙微波背景(the cosmic microwave background, CMB)。这种被称之为“大爆炸余烬”的辐射充斥着宇宙的处处,也可以被检测到,因此能比较方便人类探索宇宙最初时期。

至关重要的信号:“低谷”

让我们回到宇宙的早期时光。当最早的恒星诞生时,宇宙微波背景的光子穿越了星际间的中性氢,新星的诞生痕迹也会嵌入这些光子中。这种信号在百亿年之后被天文学家发现,在某种特定频率上呈现出“低谷”的样子。

“这是我们第一次见到宇宙中除了‘大爆炸余烬’之外这么古老的信号,”天文学家Judd Bowman这样告诉《Nature》杂志,Bowman在美国亚利桑那州立大学工作,他领导了2月28日发表在Nature期刊上的这项研究。

找到这种信号并不容易。研究人员用了两年时间反复确认他们的发现,努力去确定这种信号究竟真的能代表宇宙的黎明期还是只是我们星系的噪音干扰而已,为此他们甚至煞费苦心地屏蔽掉了来自近地面人类活动的无线电干扰。

“两年之后,我们通过了所有测试,也找不到任何其他可能的解释了,”Bowman说道,“那时候我们开始兴奋起来了。”

这个至关重要的信号出现在78兆赫的频率上,在宇宙微波背景辐射的能量中呈现出“低谷”的形状。原因是最早一批恒星的高能X射线辐射改变了星际间中性氢的行为。随着宇宙微波背景的光子穿越了这些氢气体,这种辐射也吸收了特定的频率。天文学家没有观察某种特定的发射频率,而是去寻找特定种类的吸收频率,或者说是宇宙微波背景辐射缺失了一部分。这种“低谷”只能是早期恒星喷射出的X射线造成的。

图解:这张详细的宇宙早期全天图像是通过NASA的威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP)制成的。不同的颜色体现了温度的起伏,这些温度的变化与宇宙中星系的前身有关。

随着宇宙膨胀,这条吸收带也延展开来。因此,通过精确地测量这条“低谷”延展了多少,研究者们也能够计算出它的年龄。在掌握这些知识之后,我们可以发现最早的恒星在大爆炸结束1.8亿年后诞生。此外,我们也可以记录该信号切断时的具体时间。

这批最早的恒星的生命艰难而短暂,像超新星一样剧烈、明亮地燃烧后很快死亡。这些大量相继死亡的恒星产生了非常强的X射线,让周围的中性氢温度升高,中断了宇宙微波背景特定的吸收频段。这一切是在大爆炸2.5亿年后发生的。这项研究为我们看到宇宙的黎明期打开了一扇窗户,我们可以知道,宇宙黎明期始于大爆炸后1.8亿年,历经0.7亿年后结束,这一时间段代表着第一批恒星的短暂生命。

这项宇宙考古为我们对宇宙早期阶段的观点带来了革命,这些最早的恒星像是大量生产最早一批重元素的工厂,用各种元素哺育着我们的宇宙,让后续出现的恒星繁荣生长。越来越重的元素被制造出来,最终构成了形形色色的大量天体、星球,以及最终的生命。因此这一关键时间段就是宇宙化学多样化的胚胎期。

“如果我们想要了解宇宙初始期的话,这会是非常重要的一步。”Bowman补充道。

暗物质也与此有关

这项工作也有了一些意外发现。

在另一项基于宇宙微波背景信号的研究中,另一个研究团队注意到78兆赫上的低谷也是有重要意义的。虽然它仅代表能量上0.1%的下降,但它的威力却是理论预测的两倍。也就是说,宇宙黎明期的辐射比我们预测的要多,或者是中性氢被什么东西冷却过。如果后一种解释能够被证明正确,那么冷却中性氢的东西可能就是暗物质。

我们都知道理论上来说暗物质组成了宇宙的绝大部分质量。通过间接测量,天文学家们知道了暗物质的存在,但不能直接“看到”暗物质。暗物质的互相作用太过微弱,我们只能检测到它的引力。而宇宙微波背景上“低谷”可以作为最早的恒星诞生时暗物质作用的信号,从理论上推测也正是那时暗物质温度较低。

如果能够证明这些,事情会变得更有意思了。如果这个“低谷”的深度被较冷的暗物质放大过,这意味着暗物质的粒子比现有模型预测的更小。换句话说,这项研究可以帮助改善寻找暗物质的工作,并且解释为什么科学家们还没有找到暗物质究竟是什么。

“如果这个想法得到确认,我们就能学到一些基础性的新东西,有关占了宇宙质量85%的暗物质。”Bowman这样说道,“我们能第一次看到标准模型外的物理学。”

这些发现无疑都十分重要,并能为我们看待宇宙带来革命性的观点,然而研究人员指出现在仅是未来多年专注研究的开始。鉴于该“低谷”的发现,有其他天文站也重新调整设备来研究这个有趣的频率,比如建在南非卡鲁沙漠的氢再电离时期阵列项目(Hydrogen Epoch of Reionization Array, HERA)。欧洲低频阵列项目(LOFAR)希望能更进一步,并描绘出信号在天空中如何变化。如果暗物质能够加强这种信号,天文学家能够看到明显的图案。

虽然将所有证据总结成革命性的新发现仍有一段路要走,但目前的成果仍然是喜人的:天文学家们不仅仅是为看到宇宙的黎明打开了一扇窗户,也是为了解暗物质的起源找到了头绪。

小知识:

宇宙膨胀的速度(为纪念天文学家爱德文·哈勃而命名为哈勃常数)在被提出之后的几十年里发生过改变。目前速度被认为是73千里每秒每百万秒差距。一百万秒差距约等于330万光年。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. 陈猛男- howstuffworks

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