宇宙是何時“甦醒”的?
2020年03月16日08:54
遙遠而古老的星系將幫助我們瞭解宇宙是如何再次變為等離子體狀態的。
遙遠而古老的星系將幫助我們瞭解宇宙是如何再次變為等離子體狀態的。

  3月16日消息,據國外媒體報導,對我們的宇宙而言,第一批恒星的甦醒無疑是個重要時刻。但這一時刻對科學家而言始終顯得極為神秘。

  不過在一項新研究中,一支天文學家團隊成功發現了一些迄今為止見過的最古老的星系。科學家指出,這些天體早在宇宙只有6.8億歲時,就已經完全成型了。他們還發現了一些證據,證明這些星系曾向四周發出過大量極強的紫外輻射。

  這波洶湧的紫外輻射在宇宙中形成了許多巨大的泡泡,中性氣體在其中受到激發和電離,為天文學家呈現了宇宙這一重大變革時期的首個直觀圖像。

  黎明之前

  很久很久以前,宇宙中一度沒有一顆星辰閃耀。在宇宙形成早期,所有物質都非常均勻,各處的密度都差不多,頗為無趣。

  當時的宇宙也十分“中性”,這倒是與宇宙剛形成時不太一樣。在大爆炸發生後的幾十萬年內,宇宙極為熾熱和稠密,四處充斥著等離子體。原子也在巨大的拉扯下,被分離成了電子和原子核。

  但到了宇宙38萬歲時,這種混亂局面終於宣告結束。宇宙擴張到了足夠大,溫度也降到了足夠低,電子終於能與原子核結合起來、形成了第一批氫原子和氦原子。在這一系列事件發生的過程中,還釋放出了巨量輻射,也就是我們如今所說的“宇宙微波背景”。

  在此之後的千百萬年間,宇宙始終維持著這種安靜的中性狀態。但隨著宇宙進一步擴張、溫度進一步降低,一些小小的“種子”開始逐漸形成,即一些偶然形成的、密度比周圍稍大的氣體團塊。這讓它們擁有了比周圍更大的引力,可以將四周的物質吸引過來。隨著質量逐漸增長,它們的引力也越來越大,吸引的物質越來越多。隨著時間的流逝,寂靜、黑暗、中性的宇宙就這麼孕育出了第一批恒星和星系。

  黎明降臨

  我們並不清楚第一批恒星究竟是何時形成的,但它們形成時的場面一定十分盛大而壯觀。因為此時的宇宙已經不再呈中性、而是被電離了。

  我們平時接觸到的物質大多都由完整的原子構成,原子核由外層電子規規矩矩地包圍著。這些電子在原子外層來回飛奔,與其它電子相互結合,產生我們所說的化學反應。

  但這種情況其實非常獨特。到目前為止,宇宙中的大部分物質都是等離子體,就像很久很久以前、電子和原子核各自“分居”一樣。太陽由等離子體構成,其它恒星由等離子體構成,星雲也由等離子體構成,恒星和星雲之間的物質也都是等離子體。

  在宇宙形成38萬年時,其中的等離子體一度轉化成了中性氣體。但在130億年後的今天,宇宙中的大部分物質又重新變成了等離子體。在此期間一定發生了什麼特殊的事情,將宇宙中的原子又撕裂了開來。既然在我們可觀測的宇宙範圍內全都是等離子體,一直到宇宙中出現的第一批宇宙和星系都是如此,說明造成這種“再電離化”的事件一定發生在很久很久以前。

  天文學家認為,也許是初代恒星(和它們死亡時的超新星爆發)發出的大量紫外輻射將整個宇宙變回了等離子體狀態。但我們並不清楚該事件發生的確切時間。即使是最強大的望遠鏡和深空探測任務也暫時無法看到這麼久之前的情況。我們可以清楚地看到宇宙微波背景,也能清楚地看到今時今日的宇宙,但介於這兩者之間發生的事情卻仍是一個未解之謎。也就是說,我們既不知道第一批恒星是何時出現的(即天文學家所謂的“宇宙黎明”),也不知道在此之後的“再電離期”是何時開始的。

  “吹泡泡”

  但這種形勢已經有所改變。為了瞭解宇宙成長與演化過程中的這段關鍵“青春期”,我們正在尋找越來越古老的星系,同時對它們周圍的氣體也展開了調查。就在最近,一支國際研究人員團隊剛剛發現了三個光芒極弱、體積極小、且距我們極為遙遠的星系。

  這些星系早在宇宙只有6.8億歲時就已經完全成型了。這倒沒什麼驚人的,畢竟我們此前也發現過這麼古老的星系。但在此次研究中,研究人員分析了這三個星系周圍環境中的輻射,結果發現,這些星系已經開始向周圍宇宙中吹出電離化的等離子體“泡泡”了。也就是說,這些星系發出的輻射已經開始使周邊宇宙發生轉變了。這是我們首次發現宇宙處於再電離時期的清晰跡象。雖然天文學家此前已經推測出,再電離化在宇宙滿10億歲前便已結束,但沒人想到它竟會開始得這麼早。

  這些星系將成為即將發射的詹姆斯·韋伯望遠鏡的絕佳觀測對象,因為該望遠鏡正是為了研究宇宙歷史上的這一時期而設計的。若觀測結果符合科學家的猜測,並且能找到更多再電離化的實例,我們也許總算能對宇宙這段古老而動盪的過往有所瞭解了。(葉子)

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