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原标题:经历了大爆炸后漫长的黑暗,照亮宇宙的第一缕光从何而来?(组图)

宇宙大爆炸后大概30万年,进入了黑暗时代。在那漫长的日子里,时间几乎是凝固的,没有恒星,没有星系,整个宇宙被中性氢所充满。

再次照亮宇宙的第一缕光从何而来?宇宙何时开始变得明亮了?中国科技大学王俊贤教授和中科院上海天文台郑振亚研究员及其合作者近日观测获得了一个宇宙早期(大爆炸后约8亿年,约为宇宙当前年龄6%时)的星系样本,并由此发现当时的宇宙中星际介质里氢的电离比例约50%。正如黎明之前的黑暗,在这个黑暗时代末期,宇宙第一代恒星和星系开始形成,它们发出的紫外光辐射电离了周围的中性氢,使得整个宇宙开始一点点明亮起来。

6月21日,这一突破性进展发表在国际一流天体物理期刊《天体物理快报》上,郑振亚研究员是第一作者。美国国家光学天文台当地时间7月11日,以“遥远的星系揭开宇宙黑暗时代末期的面纱”为题专门撰文报道了此项研究突破。

一个极具挑战性的问题

先来看一下宇宙的前世今生吧。

图片来源:日本国家光学天文台

大约138亿年以前,我们的宇宙形成于一次大爆炸,当时的温度达到10亿摄氏度以上。氢元素和氦元素,就是这个时候产生的。大爆炸确定了氢和氦元素各自的比例,氢元素大概占整体数目的90%左右(质量上占75%)。想象一下,整个宇宙当时就是一锅热粥,氢元素处于电离状态,那个时候的宇宙是明亮的。随着温度下降,宇宙渐渐冷下来,曾经处于电离状态的氢元素变成了中性氢元素,它可以吸收宇宙中的紫外光,从而束缚住这些光子,使其无法自如到达远方。宇宙大爆炸后大概30万年,整个宇宙陷入了一片黑暗之中。

然而,在这宇宙的黑暗时期,在引力作用下,宇宙的结构开始逐步形成:氢元素形成了第一代恒星和星系,第一代恒星的质量可能非常大,相当于几百个太阳。这些恒星聚变时产生了大量的紫外光子,产生了许多像气泡一样的电离泡。随着电离作用加快,在某个特殊阶段,整个宇宙的星际介质再次变成电离环境,从而结束了宇宙的黑暗时代。

这个过程被称之为“再电离”。虽然天文学家知道其发生于宇宙大爆炸后大约3亿年至10亿年之间,宇宙第一代星系在其中起到了显著作用,但确定再电离的细致过程以及第一代星系何时形成一直是天体物理前沿一个极具挑战性的问题。

宇宙年龄8亿年,“大雾”开始消散

假设宇宙大爆炸时的一个光子,在岁月的长河中,一直不停歇地奔跑着,科学家们如果能够解读出它所携带的信息,就能窥见宇宙早期的样子。我们现在可以看到的宇宙,最远的信号是来自宇宙微波背景辐射。二十世纪六十年代初,美国两位科学家为改进卫星通讯,建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。为了降低噪音,他们甚至清除了天线上的鸟粪,但依然有消除不掉的背景噪声。这正是宇宙微波背景辐射造成的,这一发现为他们赢得了1978年诺贝尔物理学奖。

尽管宇宙微波背景辐射是研究宇宙再电离时期的一种重要方法,但这种方法有局限,一般会结合宇宙早期星系的研究,如对那个特殊时段的类星体、伽马爆和恒星形成星系的研究,来获得再电离的演化历史。然而宇宙早期类星体的数目非常少,而早期宇宙伽马爆又很难捕捉到,故而早期宇宙的恒星形成星系现在是研究宇宙再电离的热点。这些宇宙早期天体所辐射的莱曼阿尔法光子,一直是科学家们探测宇宙再电离的关键手段,因为这一发射线光子会被宇宙间弥散的中性氢原子散射。如果说宇宙整体的中性氢环境就像一场大雾,这些早期宇宙中的莱曼阿尔法星系就像大雾中的车灯,被遮挡得有些模糊。一旦周围环境开始电离,大雾会渐渐变弱,等到氢元素完全电离,大雾也就消失了。

“宇宙再电离时期的莱曼阿尔法星系”(英文缩写LAGER),是中国科学技术大学王俊贤教授发起组织的一个国际研究项目,由中国、美国和智利三国天文学家参加,中科院率先行动“百人计划”青年俊才候选人、上海天文台郑振亚研究员是该项目的共同组织者。该项目使用智利CTIO天文台4米口径望远镜上的超大视场暗能量相机,通过专门定制的窄带滤波片,系统搜寻宇宙黑暗时代莱曼阿尔法发射线星系。

宇宙年龄8亿年处是宇宙再电离研究的最前沿,由于观测上的挑战,国际上对这一宇宙年龄及更遥远的莱曼阿尔法星系的类似搜寻工作,在过去10年间进展十分缓慢。LAGER在第一个目标天区探测到了宇宙年龄在8亿年处的23例莱曼阿尔法发射线星系。这批样本也是该宇宙年龄处获得的最大星系样本。分析发现,莱曼阿尔法星系的数目在宇宙年龄10亿年处大概是宇宙年龄8亿年处的4倍。“这表明宇宙再电离的过程始于更早期,在宇宙年龄8亿年处仍然未完成,大概处于一半电离一半电中性的状态,并且是非均匀的。”郑振亚研究员告诉解放日报·上观新闻记者。

图:观测获得的23个宇宙早期z~7.0星系的分布(白色方框)及其中两个最亮源的放大图。

这个结果意味着,宇宙在它当前年龄不到6%处,这场“大雾”已经开始消散(50%电离);很大比例的早期宇宙第一代星系则形成于宇宙年龄8亿年之前。

题图来源:视觉中国 内文图来源:采访对象提供 图片编辑:苏唯

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