宇宙在產生第一批星系時是怎樣的？

當我們今天眺望銀河系之外的時候，無論我們看得多遠，所能看到的是遍布宇宙的星系。即使在沒有恆星、星系或任何已知物質的情況下對著一片黑暗的天空拍攝，如果曝光時間夠久，看得夠遠，我們仍然會看到成千上萬的星系，哈勃望遠鏡的超深空為我們展現過這樣的景象。總而言之，在可觀測宇宙中，存在上千億甚至上萬億個星系，它們在各個方向上綿延上百億光年。

然而，儘管我們已經觀測到了大量的星系，但我們從來沒有看到足夠遠的地方，我們還從未看到過宇宙中最早的星系。目前已知最遠的星系是GN-z11，它在宇宙年齡只有4億年的時候就已經存在了（宇宙目前的年齡為138億年）。儘管這個星系出現在早期宇宙中，但它已經歷過演化，其中還是充滿了古老的恆星，這意味著宇宙的第一批星系出現的時間還要更早。如果我們幸運的話，我們在未來將會觀測到它們。目前，有關宇宙第一批星系的樣子都是基於理論推測。

我們今天看到的星系都已經老，它們非常巨大，其中充滿了各種各樣的恆星。大部分星系中包含有很多重元素，星系中所有的原子大約有1%到2%（按重量計算）是氫或氦以外的元素。這是一種巨大的改變，因為考慮到宇宙誕生時沒有碳、氮、氧、硅、硫、鐵等重元素。

要知道，星系花了數十億年乃至上百億年的時間和無數代的恆星來合成出這些重元素。如果我們向宇宙深處望去，我們也會回顧過去，我們就會發現，早期星系與今天的樣子有很大的不同，早期星系比現在的星系更小、更藍、更多、更缺乏重元素。隨著時間的推移，宇宙中的星系已經演化了很多。

那麼，最初的星系是如何形成的呢？當它們形成的時候，宇宙是什麼樣子的？

在星系形成之前，宇宙發生了一系列事件。物質戰勝了反物質，原子核形成，然後是中性原子形成，第一代恆星誕生又死亡了，併產生了第二代恆星。但即使在所有這些事件發生之後，星系仍然沒有形成。這是因為最小的宇宙尺度首先會引力坍塌，而更大的尺度則需要更長的時間。

想想兩個重要的因素在起作用：引力和光速。引力是唯一能將越來越大的物質聚集在一起的機制。然而，物體通過引力聚集的增長速度是有限的。

想像一下，物質從一個小質量開始聚集，然後超過了平均密度。如果有一些額外的質量來吸引一光年之外的地方，它將會花費整整一年的時間來感受來自該質量的引力，因為引力只以光速傳播。但是如果有一個額外的質量在一百或者一百萬或者十億光年之外，就必須等待相應的時間才能產生引力作用。總之，引力不是瞬時的超距作用，它只以光速傳播。

在第一批恆星和恆星團之後，最終會在宇宙空間中的某處聚集大量的質量。結果是它們會相互吸引，最終能有效地做到這一點。

不過，一個巨大的恆星團吸引另一個恆星團的時間尺度將比單個星團形成的時間尺度要長得多。這是因為星系的尺度很大，聚集足夠多的物質需要很長的時間。

但需要注意的是，最初的高密度區域導致了恆星團和星系的數量只有三萬分之一，這意味著這些高密度區域需要在大量的時間內生長。如果在恆星團之間的距離比單個恆星團要長數十或數百倍，那麼，這不免會讓人心生疑問，製造星系的時間豈不是要比恆星多出幾十倍或數百倍？

事實並非如此。雖然星系形成需要更長的時間，但也不需要那麼長。引力的力量是可以累積的，所以它基本上就像是一個延遲啟動的時鐘。「恆星團」時鐘在宇宙大爆炸後幾百萬年開始；而「星系」的時鐘可能在那之後的1000萬年開始。

這就是大規模結構形成的運行方式。在任意尺度上都有密度的不均勻，一旦有足夠的時間通過引力來吸引物質，它們就會生長。

很快，宇宙就形成了第一批恆星團，時間大約是在宇宙誕生5000萬到1億年之後。與此同時，宇宙幾乎立刻就形成了第二代恆星，因為第一代恆星的質量太大，壽命極短，在那之後不久就觸發了新一代恆星的形成。

然後，再過數千萬年的時間才能形成第一個星系，因為這需要恆星團在空曠的空間中相互吸引，直至最終它們融合在一起。對於大型星系，以及星系群和星系團，這將需要更長的時間尺度。

那麼，宇宙中的第一批星系要如何尋找呢？

尋找這些最初星系所面臨的最大挑戰是，在當時的整個宇宙中，還沒有足夠的恆星來電離星系際空間中的所有中性原子。質子和電子仍然會相互束縛，直到宇宙中充滿了持續且足夠的紫外線來永久地把這些電子從原子中釋放出來。

這意味著來自第一批恆星（和第一批星系）的光被這些原子吸收，宇宙仍然是不透明的。目前，我們所發現的最早星系GN-z11可以追溯到宇宙大爆炸後的4億年，它之所以被發現，是因為它位於一種偶然的、電離程度高於平均水平的區域中。

然而，我們可以做得比這更好。我們已經觀察到從那以後的大量星系，我們已經能夠確定它們的恆星有多大了。

MACS1149-JD1星系是迄今為止發現的第二遠的星系，它的光來自大爆炸後的5.3億年。然而，當我們觀察它的時候，我們發現它裡面的恆星大約有2.8億年的歷史，這意味著它們是在宇宙大爆炸後的2.5億年里形成的。

這些恆星的大規模形成並不僅僅是因為有一個恆星團，而且還因為它們出現在大合併發生時，產生了天文學家所說的「星爆」。碰撞氣體會導致物質坍縮，從而引發大量的新恆星形成。這要比僅僅發生引力坍縮的恆星團具有更大的規模和更高的能量，這些應該是真正的第一批星系。

它們會變得更大更亮，包含更多的恆星，並且會留下一個清晰的信號。它們會在宇宙中留下印記，這些印記將會被觀測到。

它們不僅會開始對宇宙的再電離做出貢獻，而且無論它們在哪裡形成恆星，我們都會發現電子與它們的電離原子核重新結合在一起。當這發生在氫原子的時候，有50%的幾率形成一個自旋排列的構型（上-上或下-下），並且有50%的幾率自旋會是反排列的構型（上-下或下-上）。

相比之下，上-下或下-上的構型更穩定。如果形成了排列的構型，它將在大約1000萬年的時間尺度上向下轉換到反排列的構型。當它轉換時，它會釋放出一個特殊的光子，其波長為非常獨特的21厘米。

然後，這些光子會在宇宙中傳播，並最終到達地球。由於空間不斷膨脹，這會導致這些光發生紅移。在今年早些時候，有一項研究聲稱探測到了第一個中性氫21厘米譜線的跡象。儘管這引起了很大的爭議，但令人印象深刻的是，第一批星系的理論形成時間尺度與這些觀測結果非常吻合。結果表明，第一批星系的起源時間是在宇宙誕生2億至2.5億年後。

在宇宙第一批星系之前，需要經歷一系列事件：首先需要恆星和恆星團形成，它們需要引力將這些恆星團聚集成更大的團塊。但是，一旦製造出大型結構，它們就可以繼續快速生長。這不僅吸引了恆星團和氣體，還吸引了更多的小星系。宇宙網路已經邁出了它的第一步，並且將在接下來的幾億年乃至上百億年的時間裡繼續增長，並且變得更加複雜。

與此同時，初始密度較低的區域將繼續增長，這些地方會形成新的恆星和星系。宇宙中的星系並不是同時形成的，而是有著先後順序。在宇宙中的第一批星系形成之後，像我們銀河系這樣的星系已經正式開始形成了。

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