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首页 奇异世界 《宇宙于何时苏醒?》
宇宙于何时苏醒?

通过把光淬火氢原子转化为电离气体,紫外线光在这个过程中形成了叠加,其间充满了电离氢气体的巨大气泡贯穿了早期的宇宙。图源:NASA, ESA,V.Tilvi(ASU)

对于我们的宇宙来说,第一批星星的诞生是一个重要的时刻,但是对于科学家来说,这一刻是难以捉摸的。

不过新的研究表明,一个天文学家团队确认了一些从未被发现的古老星系。据科学家的发现,这些星系在宇宙只有6亿8千万岁的时候就形成了,同时科学家们也证明了这些星系的周围放射出极强的紫外线辐射。

古老的螺旋星系。图源:Google

然而正是那样的环境,得以形成了巨大的气泡,从而给中性的气体提供能量并使之电离,同时也给了天文学家第一幅宇宙中一次主要转换纪元的直观图像。

黎明之前

很久以前,纵观宇宙,还没有一颗发光的星体出现。在我们的宇宙早期,一切都是那么的相同:各处的密度都几乎相等。说真的,有那么一点点无趣。

同时介质的性质也是令人感到压抑的中性,和宇宙的第一天大相径庭。更早之前,在大爆炸之后的最初几百千年的里,我们的宇宙热得烫手,等离子体的密度也十分浓稠;摩肩擦踵的碰撞把各个原子撕成了曾组成他们的电子和原子核。

被认为是创世起源的宇宙大爆炸(Big Bang)。图源:NBC News

但是当宇宙到了380,000岁,足够成熟的时候,这场混沌就结束了。这时候的物质已充分地传播开来,温度也足够低了,从而电子得以和他们的原子核家族结合并形成了第一个氢原子和氦原子。当这些事件发生的时,大量的辐射被释放,而这些辐射直到今天仍被我们知晓与热爱着,它就是宇宙微波背景辐射。

宇宙微波背景,来自宇宙早期的残余微波辐射,图中颜色代表温度。图源:Space

上百万年以来,宇宙始终保持着中性的状态。但是随着宇宙的扩展和冷却,小的种子开始萌芽;出于宇宙中的随机性,一些气体的密度逐渐比他们周围的物质更大。这种微弱的增加给了它们一个很小的重力边缘,从而将周边的物质慢慢吸引。因为他们吸引物质后质量增大,所以获得了比上一次更大的重力影响,继而又吸引了更多的物质材料他们而来,以此类推……

一点一点地,终于在万古亿年之后,第一代恒星与星系在静寂、黑暗、中性的宇宙中诞生了。

在破晓中觉醒

我们不了解第一代恒星形成的准确时间,但是我们知道它们诞生时一定是无与伦比地璀璨夺目。因为宇宙就是从这一刻起不再呈中性——而是电离的了。

我们日常生活中接触的大多数物质是由完整的原子组成的;每一个原子核都被电子层恪尽职守地围绕着,它们在原子核周围翩翩起舞,以被称作“化学”的优美复杂华尔兹旋转着、相互合成着。

一般的原子基物质,电子围绕着原子核旋转。图源:Flexbook

但是从宇宙中看,这种情况却是独一无二。到目前为止,宇宙中绝大多数物质是等离子体,就和宇宙很久很久以前一样,电子和原子核都自顾自存在着。太阳是什么?等离子体。其他的恒星呢?等离子体。星云呢?等离子体。恒星和星云之间的物质呢?还是等离子体。

等离子体球。电浆体(Plasma),又叫做等离子体,是除去固、液、气外,物质存在的第四态,是由原子被电离后产生的正负离子形成的物质状态。它广泛存在于宇宙中。图源:The Plasma Universe

当我们的宇宙还只有38万岁的时候,它从等离子体转化成了中性气体。在130多亿年以后的今天,宇宙几乎又充满了等离子体。这其间一定发生了什么事;一定有什么东西把宇宙中的原子撕裂了。考虑到我们现能观测到的最年轻宇宙都充满了电离物质,不管是什么造成的这次“再电离”,都一定发生在早期,也就是在第一代恒星和星系登场宇宙舞台之前。

年轻的宇宙假想图。图源:James Webb Space Telescope

天文学家认为被第一代恒星(以及它们消逝时的超新星爆炸)放射出的极强紫外辐射将我们的宇宙由变回了等离子体。但令人沮丧的是,我们并不知道确切的时间。即使是最先进的望远镜和目前最深入的研究都没有能力窥视那样久远的宇宙。我们可以清晰地看见宇宙微波背景辐射,我们也可以清晰地看见现在的宇宙,但是中间的部分仍是现如今宇宙学的谜。

我们不知道这个被天文学家称为“宇宙黎明”事件的第一代恒星是什么时候出现的,也不清楚接下来的“再电离纪元”会什么时候开始。

一个新发现的星系CR7是已知的最亮的星系,可能包含了宇宙中一些最古老的恒星。图源:ESO/M. KORNMESSE

吹泡泡

但是那种情形开始了转变。通过搜寻一个比一个更古老的星系,并伴随着对他们周围气体的研究,我们努力地了解着这段处于重要青春期时期的宇宙的演化过程。一个国际研究团队发现了三个极端微弱的星系,他们遥远到了令人难以置信的程度。

古老的三重星系。图源:Space

这些微小星系在宇宙680百万岁的时候就已经充分形成了。这并不令人感到惊讶——我们曾发现过比他们还要古老的星。但是在这项研究中,研究人员有了一项新的发现:通过检测从这个三重星系发射出来的辐射信息,他们发现宇宙已经在它们周围吹起了等离子体的泡泡。

宇宙中星系旁的等离子泡泡是再电离纪元的明显信号。图源:Universe Today

换句话说,从星系中迸射出来的辐射已经开始改变在他们附近的宇宙了,就像少年额头长出来的青春痘。这也是再电离纪元开始发展的第一个明显信号。此外,天文学家推断出宇宙在其第一个十亿年生日的时候就完成了再电离,没有人想到这个过程发生得这么早。

宇宙历史时间表:140亿年前宇宙大爆炸,新生的宇宙充满了电离气体;诞生约30万年后进入黑暗时期,变得中性;诞生约5亿年后第一代恒星和星系诞生,带领宇宙进入再电离纪元;宇宙诞生约10亿年后再电离完成,成为我们现在所看到的宇宙;诞生90亿年后太阳系形成;宇宙诞生140亿年后的今天,天文学家们把上面说的都搞清楚了!

这些星系为即将推出的詹姆斯韦伯太空望远镜提供了完美的目标,而这台望远镜也是为探索这个时期的宇宙历史所特别设计的。如果方案可行,加上有更多的“再电离”的例子被找到,我们最终有可能理解发生在宇宙初期的世纪革命,一段恢弘而壮烈的历史。

探索宇宙再电离纪元的詹姆斯韦伯望远镜。

出处:搜狐/天文地理

栏目: 奇异世界
2020-10-04 (

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