天文學家發現意料之外的早期宇宙星系群，當時的宇宙只有15億歲！

作者系網易新聞·網易號「各有態度」簽約作者

在介紹有關這則新發現的消息之前，或許我們有必要簡單了解一下人類已知的宇宙歷史。

一、大爆炸（The Big Bang）

1929年，美國天文學家埃德溫·哈勃觀測發現，星系的紅移隨著距離的增加而顯著地增加。所有星系看起來都在遠離我們，越遠的速度越快。這一觀測結果暗示了可觀測宇宙的體積正在膨脹，這就是哈勃定律。哈勃定律意味著過去的空間比現在小，在哈勃空間望遠鏡和其他設備年復一年的仔細觀測中，如今的宇宙學家對數據的解釋是，我們已知宇宙的全部時間和空間開始於一場距今約138.2億年的劇烈大爆炸。

天文學家在20世紀30年代將這一學說命名為「大爆炸理論」。儘管目前宇宙大爆炸理論還無法描述宇宙最開始的條件是怎樣的，但它可以幫助物理學家描述在宇宙膨脹開始後的最早的時刻。

如何理解這種大爆炸呢？科學家告訴我們這種大爆炸並不是大規模的爆炸，而是一種急劇的膨脹，可以想像一個被吹大的氣球：從一個極小的氣球瞬間吹大到目前宇宙的大小，並且這個氣球還在加速膨脹。

大爆炸後的最初的時期，是一個炙熱、高壓、充滿輻射的時代。如果我們在大爆炸後的1秒鐘看宇宙，我們將看見質子、中子、電子、反電子（正電子）、光子和中微子的汪洋大海，根據美國宇航局（NASA）的數據，此時的溫度大概是55億攝氏度。隨著時間的推移，宇宙逐漸冷卻，中子或衰變成質子和電子，或是與質子結合產生氘（氫的同位素），宇宙持續冷卻，最終達到電子與原子核結合形成中性原子的溫度。在此之前，整個宇宙是混沌無光的，因為自由電子會使光子發生散射。但當自由電子被吸收形成中性原子時，宇宙突然間就變得透明了，這一瞬間，宇宙最早期的光子閃耀出光輝，根據NASA提供的數據，這個時間點大約是大爆炸後38萬年。

這種早期的光，有時被稱為大爆炸的「餘輝」，也被稱為宇宙微波背景（CMB）。1948年，拉爾夫·阿爾弗（Ralph Alpher）和其他科學家第一次預測它的存在，現在，它已經被觀測到。然而，在宇宙閃耀出光輝的那一刻之後，整個宇宙又陷入黑暗，因為當時還沒有任何恆星和其他明亮的天體形成。

二、再複合時代、黑暗時代

大約在大爆炸的40萬年後，溫度下降到只有幾千開爾文。在這樣的溫度下，氫原子可以捕獲住電子，形成氫分子。這一時期被稱為再複合時代。

在再複合時代，宇宙剩餘的輻射從物質中分離，最終在空間中暢通無阻地穿梭往來，接下來的時間裡宇宙越來越冷，越來越暗，進入被天文學家命名的「黑暗時代」。

這個黑暗時代，持續了多久？宇宙學家認為大概有1億~2億年。黑暗時代之後，氫分子和其他分子在引力的作用下聚集成團，並隨著引力的作用逐漸吸引了更多的氣體，團塊越長越大成為巨型氫分子雲。在成長的過程中，這些巨型氫分子雲內部開始變熱，並開始運動和旋轉（例如受到臨近分子雲的引力拉扯，就可以開始旋轉），當其內部的高壓、高溫到達一定的程度時，氫被點燃，變成了氦，第一代的恆星至此誕生，宇宙的黑暗時代終於結束。

宇宙的第一代恆星與我們現在看到的恆星很不一樣，它們非常巨大，質量可能是太陽的100~1000倍。它們輻射出巨大的能量，使周圍的分子雲加熱，它們還會釋放出在黑暗時代捕獲的電子，這個時期就被稱為再電離時代。

一旦第一代恆星形成，它們中的大部分成員則不可避免地會被其他恆星的引力吸引，形成星團，然後是更大的星團，最終形成巨大的恆星群，圍繞它們的引力中心運動。

三、觀測深空中早期宇宙星系團的形成

2009年歐空局發射了赫歇爾空間天文台，它是史上最大的紅外望遠鏡，能夠觀測到宇宙中最冷和最黑暗的天體，研究團隊使用它觀測到一個在遠紅外線波段非常紅的單一宇宙天體，因此決定使用APEX和APEX天線和ALMA干涉儀對這個天體進行進一步研究。

APEX是位於智利阿塔卡馬沙漠的直徑12米的射電望遠鏡。阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波天線陣（ALMA）位於智利北部阿塔卡馬沙漠地區，是一個由66個高精度天線組成的射電望遠鏡。這些天線的直徑從7到12米不等，當它們以不同方式配置時，所組成的陣列可以放大宇宙中一些最遙遠的天體，並且可以捕捉比哈勃太空望遠鏡更清晰的圖像。

綜合觀測的結果令人驚訝，那個在遠紅外線波段非常紅的看似是單一的宇宙天體，實際上是一群處於早期宇宙的「塵土飛揚」的星系。它們正在合併以形成未來大規模星系團的中心。

該研究的項目負責人Ivan Oteo指出，觀察到這類現象是非常罕見的，這些星系在任何時期和宇宙中的任何地方都是少數。由於ALMA的解析度和靈敏度都很高，利用它的數據，天文學家計算出該星系群所處的時期——宇宙大約只有15億歲。然而，目前的理論和計算模型表明這種非常大的星系群需要更多的時間來進化。天文學家們認為，這個新發現將提供一個很好的機會幫助他們研究巨大的星系是如何連接在一起形成星系團的。

相關研究結果發表在《天體物理學雜誌》上。

參考資料：

《天文之書》，吉姆·貝爾 著

https://en.wikipedia.org/wiki/Herschel_Space_Observatory

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/06/180607100959.htm#

//iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aaa1f1/meta

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