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宇宙刚刚出生就差点夭折,科学家即将揭秘那段黑暗的岁月

2020-06-27 14:16:25博名知识网
通过现代望远镜,我们已经可以观测到一百亿光年以外的宇宙。这意味着,我们可以看到宇宙在100亿年前的模样。同时,通过宇宙微波背景辐射,我们可以看得更加久远,了解到宇宙在大爆炸后仅仅38万年后的模样,将我们对宇宙历史的了解更加向

  通过现代望远镜,我们已经可以观测到一百亿光年以外的宇宙。这意味着,我们可以看到宇宙在100亿年前的模样。

  同时,通过宇宙微波背景辐射,我们可以看得更加久远,了解到宇宙在大爆炸后仅仅38万年后的模样,将我们对宇宙历史的了解更加向前推进了38亿年。

  

  然而奇怪的是,在大爆炸后38万年开始的几亿年时间里,宇宙到底发生了什么,对于我们来说始终是一片空白(或者说是漆黑,因为我们什么也看不见)。这一段时期,就是宇宙的黑暗时代。

  在上面的时间轴中,科学家描述了宇宙一些重大事件的发生时间,以及我们可以通过哪些波长的电磁波来进行观测。宇宙微波背景辐射可以展现接近大爆炸后40万年的图像,而NASA的斯皮策太空望远镜在红外波段发现了大爆炸后约4亿年时出现的第一道光。直到现在,我们可以通过可见光波段来观测宇宙天体。而在大爆炸后40万年到4亿年之间的漫长岁月里,宇宙就处在这样的黑暗时代。

  

  这段时间之所以黑暗,就在于宇宙中还没有恒星出现。当然,没有恒星仅仅代表它在可见光波段是无法观测的,更重要的是,这个时期的宇宙,充满了中性的氢原子。相比之下,今天的宇宙中你很难找到氢原子,弥散在宇宙空间中的绝大部分是氢离子(或者说裸露质子)和电子。

  一般来说,科学家认为:恒星的形成来自于星云的坍缩,你可能以为坍缩的最初动机来自引力,但实际上,在引力发挥作用之前,是电荷相互吸引导致的引力失衡。因此,对于黑暗时代的宇宙来说,全部以原子形式存在的氢分布极其平均,无法形成恒星。同时也没有什么物理或者化学变化,让我们完全无法观测。

  

  直到宇宙大爆炸后4亿年左右的时间,一小部分氢开始电离,最终形成连锁效应。电离后的氢具备了凝聚的条件,最终形成了一颗颗恒星,点亮了宇宙。这个时期,就是宇宙的再电离时期。到了大爆炸后大约10亿年的时候,宇宙完成了再电离,完全走出了黑暗,避免了夭折。

  虽然我们对于这个过程已经相当了解,但这些事件发生的时间都有着很大的不确定性。由于黑暗时代的难以观测,让我们很难对这些时间点有一个肯定的答案。

  来自华盛顿大学、布朗大学和科廷大学的科学家们,同样深深地为这个问题着迷,于是利用位于澳大利亚的默奇森宽场阵列的特殊设备,来探索宇宙黑暗时代的秘密。那么问题来了:既然所有的电磁波段都无法用来观测黑暗时代,他们要用什么手段呢?

  

  (图片说明:本篇论文的研究团队)

  幸运的是,这些中性氢虽然十分“安静”,但也并非完全沉寂。由于氢原子中会发生极少量的电子翻转,所以这个过程中被释放的光子成为了我们检测它的重要手段。由于这种光子的波长为21厘米,所以科学家称之为21厘米线,又叫氢线。21厘米线是科学家研究黑暗时代的唯一工具,也是默奇森宽场阵列最擅长的领域之一。通过21厘米线,科学家们取得了重大的突破,带领人类一点一点靠近宇宙的黑暗时代。

  华盛顿大学的物理学教授Miguel Morales是本篇论文的主要作者,他介绍说:“再电离时期和宇宙黑暗时代是理解我们宇宙的重要阶段,可以告诉我们为何有些区域充满了星系、另外一些区域却相对空旷,或者解释物质的分布,甚至可能是暗物质和暗能量的答案。”

  

  (图片说明:在默奇森宽场阵列,时不时还有袋鼠出没)

  据介绍,默奇森宽场阵列拥有4096根偶极天线,这是他们检测21厘米线的重要工具。但是,由于宇宙空间布满了各种射线,给21厘米线的检测带来了很大的干扰。因此,Morales等人必须要想出一套有效的办法,才能更好地消除宇宙中的噪声,提高检测能力。

  从硬件上讲,他们给默奇森宽场阵列配备了冗余子阵列和伪随机基线。从技术方面,他们也改进了分析的技术、数据质量的控制方法和干涉校准方法。

  

  (图片说明:夜空下默奇森宽场阵列的一部分)

  通过这些手段,他们已经取得了巨大的突破。去年的时候,他们曾经在《天体物理学》杂志上发表论文指出:在这些技术的帮助下,他们成功地将长达21个小时的数据中,滤掉了过往10倍的噪声。在接下来的时间里,他们还将对长达3000小时的数据进行收集和整理,并且利用最新的技术手段过滤噪声,让我们更加接近那段黑暗的时代。

  对于我们来说,宇宙的黑暗时代非常重要,它上承宇宙微波背景辐射的时代,下启宇宙的再电离时期,是宇宙演化的重要阶段,对于我们了解宇宙的形成和发展过程至关重要。

  同时我们也介绍过,直到现在,即便是借助于哈勃太空望远镜,科学家也仍然无法发现第一代恒星的痕迹,最多只能看到第二代恒星。如果我们对宇宙黑暗时代能够有所了解,那么至少可以知道黑暗时代末期向再电离期过渡的阶段中,那些第一代恒星究竟是以怎样的机制形成的。

  

  实际上,这支团队不仅仅包括上述三个大学的科学家,还包括麻省理工学院、国际射电天文研究中心等团队,同时我国上海天文台也参与其中。除了这支团队之外,世界上还有很多其他的科学家正在对黑暗时代进行探索。目前正在月球背面工作的嫦娥四号以及中继星鹊桥号,也携带了专门的设备,追寻着黑暗时代的秘密。

  尽管很多人不愿意相信,但大爆炸理论仍然是宇宙诞生的最可靠理论。当我们揭开黑暗时代的神秘面纱时,相信会找到更多的证据,证明宇宙是从虚无中诞生的。

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