第一代恆星在宇宙大爆炸1.8億年後形成的嗎？天文學家發現相關證據

作者系網易新聞·網易號「各有態度」簽約作者

宇宙的奧秘無窮無盡。多年來，天文學家一直試圖破解的其中一道難題就是，宇宙中的第一代恆星到底是什麼時候形成的？

上周，在《自然》雜誌上，一個天文學家團隊宣布，在經過了十多年的實驗調查之後，他們終於破解了有關第一代恆星誕生時間的謎題。僅僅通過使用一個位於澳大利亞沙漠的簡單的無線電天線，研究人員就發現了嬰兒宇宙時期最早一批恆星模糊的「指紋」，他們指出當時的宇宙只有1.8億歲。

圖：藝術概念圖，宇宙最早的恆星之一。巨大的藍星內嵌在氣體和塵埃的細絲中，而宇宙微波背景（CMB）則顯示在外邊緣。 credit:N. R. Fuller/National Science Foundation

「這非常令人興奮，因為這是對宇宙中一個特別重要時期的第一次觀察，當時第一批恆星和星系開始形成，」麻省理工學院海斯塔克天文台（Haystack Observatory）的主任Colin Lonsdale在一次新聞發布會上說，「這是有史以來第一次獲得那個時代的直接觀測數據。」

宇宙大爆炸（Big Bang）之後，在第一代恆星被點燃之前，整個宇宙是一片非常黑暗寒冷的地帶。沒有星系，沒有類星體，也沒有超新星。宇宙主要由中性氫氣（neutral hydrogen gas）組成，這些中性氫氣則漂浮在大爆炸遺留下的無所不在的背景輻射之中。隨著時間的流逝，引力慢慢地將氫氣密度最大的區域變成了大密度的「星雲」（clouds），它們最終坍塌形成了宇宙的第一批恆星。

當這些最早的恆星開始在黑暗的空間中閃耀時，它們用紫外線照射著周圍的氫氣，這激發了氣體中的氫原子，導致它們在一個特定頻率（1.4千兆赫）下從背景輻射中吸收能量。理論上講，天文學家知道他們應該能夠探測到來自這個過程的吸收（absorption）或相應的放射（emission），但是直到這項研究發表之前，他們卻一直無法探測到。

「問題是，由於宇宙膨脹，這種吸收將會以某種未知的更低的頻率被觀測到，」支持此項研究的美國國家科學基金會的項目專員Peter Kurczynski說，「尋找那個頻率，就好比同時收聽汽車音響上的每一個電台，並且能夠說出你錯過了哪個最喜歡的節目。」

圖：該項研究所使用的無線電天線 照片版權：CSIRO Australia

為了找到這個未知信號，研究團隊使用了一個地面儀器，被稱為射電分光儀（radio spectrometer），位於西澳大利亞州的默奇森射電天文學天文台。他們測量了南方大部分的天空，並收集了所有天文信號的平均無線電頻譜。2015年，研究團隊將搜索範圍擴大到更低的頻率，這些頻率有可能來自宇宙更早的時期。「我們一將系統切換到這個較低的範圍，就開始看見有可能是真正信號的東西，」海斯塔克天文台的科學家Alan Rogers在新聞發布會上說。他說：「我們看到這個下降最強烈的在78兆赫，這個頻率和宇宙大爆炸後大約1.8億年的時間相對應，僅就直接探測到來自氫氣本身的信號而言，這是最早的。」

圖：根據這項研究，天文學家已經更新了宇宙的時間線，以反映出大爆炸後大約1.8億年後第一代恆星何時出現。 credit:N. R. Fuller/National Science Foundation

令人驚訝的是，除了探測到氫氣被第一代恆星的輻射照射所產生的最初信號之外，研究人員或許還意外地揭示了暗物質的真實性質。

研究結果顯示，第一代恆星誕生前的宇宙可能比此前預測的要冷得多。事實上，研究人員發現，早期宇宙中的氫氣比他們預期溫度的一半還要低。這表明了以下兩點之一：要麼是天文學家的理論缺少了關於宇宙的某些重要的東西，要麼就是該研究探測到了暗物質從正常物質中吸收能量的第一個證據（該理論最初由Renna Barkana提出）。

該研究報告的第一作者，亞利桑那州立大學的天文學家Judd Bowman說：「如果Barkana的理論被證實了，那麼我們就知道了一些關於神秘暗物質新的基本知識。」

然而，Bowman很快指出，這項研究還沒有定論，他說：「讓另一個團隊獨立地確認這項研究，這是科學過程中的一個重要部分。」

我們期待著另一個團隊的獨立驗證結果儘早發布。

參考資料：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-02/miot-ade022618.php

http://astronomy.com/news/2018/03/fingerprinting-the-very-first-stars

https://www.nature.com/articles/nature25792

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