經歷了大爆炸後漫長的黑暗，照亮宇宙的第一縷光從何而來？

宇宙第一代恆星和星系開始形成，它們發出的紫外光輻射電離了周圍的中性氫，使得整個宇宙開始一點點明亮起來。

宇宙大爆炸後大概30萬年，進入了黑暗時代。在那漫長的日子裡，時間幾乎是凝固的，沒有恆星，沒有星系，整個宇宙被中性氫所充滿。

再次照亮宇宙的第一縷光從何而來？宇宙何時開始變得明亮了？中國科技大學王俊賢教授和中科院上海天文台鄭振亞研究員及其合作者近日觀測獲得了一個宇宙早期（大爆炸後約8億年，約為宇宙當前年齡6%時）的星系樣本，並由此發現當時的宇宙中星際介質里氫的電離比例約50%。正如黎明之前的黑暗，在這個黑暗時代末期，宇宙第一代恆星和星系開始形成，它們發出的紫外光輻射電離了周圍的中性氫，使得整個宇宙開始一點點明亮起來。

6月21日，這一突破性進展發表在國際一流天體物理期刊《天體物理快報》上，鄭振亞研究員是第一作者。美國國家光學天文台當地時間7月11日，以「遙遠的星系揭開宇宙黑暗時代末期的面紗」為題專門撰文報道了此項研究突破。

一個極具挑戰性的問題

先來看一下宇宙的前世今生吧。

圖片來源：日本國家光學天文台

大約138億年以前，我們的宇宙形成於一次大爆炸，當時的溫度達到10億攝氏度以上。氫元素和氦元素，就是這個時候產生的。大爆炸確定了氫和氦元素各自的比例，氫元素大概佔整體數目的90%左右（質量上佔75%）。想像一下，整個宇宙當時就是一鍋熱粥，氫元素處於電離狀態，那個時候的宇宙是明亮的。隨著溫度下降，宇宙漸漸冷下來，曾經處於電離狀態的氫元素變成了中性氫元素，它可以吸收宇宙中的紫外光，從而束縛住這些光子，使其無法自如到達遠方。宇宙大爆炸後大概30萬年，整個宇宙陷入了一片黑暗之中。

然而，在這宇宙的黑暗時期，在引力作用下，宇宙的結構開始逐步形成：氫元素形成了第一代恆星和星系，第一代恆星的質量可能非常大，相當於幾百個太陽。這些恆星聚變時產生了大量的紫外光子，產生了許多像氣泡一樣的電離泡。隨著電離作用加快，在某個特殊階段，整個宇宙的星際介質再次變成電離環境，從而結束了宇宙的黑暗時代。

這個過程被稱之為「再電離」。雖然天文學家知道其發生於宇宙大爆炸後大約3億年至10億年之間，宇宙第一代星系在其中起到了顯著作用，但確定再電離的細緻過程以及第一代星系何時形成一直是天體物理前沿一個極具挑戰性的問題。

宇宙年齡8億年，「大霧」開始消散

假設宇宙大爆炸時的一個光子，在歲月的長河中，一直不停歇地奔跑著，科學家們如果能夠解讀出它所攜帶的信息，就能窺見宇宙早期的樣子。我們現在可以看到的宇宙，最遠的信號是來自宇宙微波背景輻射。二十世紀六十年代初，美國兩位科學家為改進衛星通訊，建立了高靈敏度的號角式接收天線系統。為了降低噪音，他們甚至清除了天線上的鳥糞，但依然有消除不掉的背景雜訊。這正是宇宙微波背景輻射造成的，這一發現為他們贏得了1978年諾貝爾物理學獎。

儘管宇宙微波背景輻射是研究宇宙再電離時期的一種重要方法，但這種方法有局限，一般會結合宇宙早期星系的研究，如對那個特殊時段的類星體、伽馬爆和恆星形成星系的研究，來獲得再電離的演化歷史。然而宇宙早期類星體的數目非常少，而早期宇宙伽馬爆又很難捕捉到，故而早期宇宙的恆星形成星系現在是研究宇宙再電離的熱點。這些宇宙早期天體所輻射的萊曼阿爾法光子，一直是科學家們探測宇宙再電離的關鍵手段，因為這一發射線光子會被宇宙間彌散的中性氫原子散射。如果說宇宙整體的中性氫環境就像一場大霧，這些早期宇宙中的萊曼阿爾法星系就像大霧中的車燈，被遮擋得有些模糊。一旦周圍環境開始電離，大霧會漸漸變弱，等到氫元素完全電離，大霧也就消失了。

「宇宙再電離時期的萊曼阿爾法星系」（英文縮寫LAGER），是中國科學技術大學王俊賢教授發起組織的一個國際研究項目，由中國、美國和智利三國天文學家參加，中科院率先行動「百人計劃」青年俊才候選人、上海天文台鄭振亞研究員是該項目的共同組織者。該項目使用智利CTIO天文台4米口徑望遠鏡上的超大視場暗能量相機，通過專門定製的窄帶濾波片，系統搜尋宇宙黑暗時代萊曼阿爾法發射線星系。

宇宙年齡8億年處是宇宙再電離研究的最前沿，由於觀測上的挑戰，國際上對這一宇宙年齡及更遙遠的萊曼阿爾法星系的類似搜尋工作，在過去10年間進展十分緩慢。LAGER在第一個目標天區探測到了宇宙年齡在8億年處的23例萊曼阿爾法發射線星系。這批樣本也是該宇宙年齡處獲得的最大星系樣本。分析發現，萊曼阿爾法星系的數目在宇宙年齡10億年處大概是宇宙年齡8億年處的4倍。「這表明宇宙再電離的過程始於更早期，在宇宙年齡8億年處仍然未完成，大概處於一半電離一半電中性的狀態，並且是非均勻的。」鄭振亞研究員告訴解放日報·上觀新聞記者。

圖：觀測獲得的23個宇宙早期z~7.0星系的分布（白色方框）及其中兩個最亮源的放大圖。

這個結果意味著，宇宙在它當前年齡不到6%處，這場「大霧」已經開始消散（50%電離）；很大比例的早期宇宙第一代星系則形成於宇宙年齡8億年之前。

題圖來源：視覺中國 內文圖來源：採訪對象提供 圖片編輯：蘇唯

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