宇宙產生光，標誌著宇宙歷史上的里程碑！

據一個國際天文學家團隊稱，早期宇宙的「朦朧」差異很大，是大爆炸後宇宙升溫時留下的冷氣體島嶼造成。這一結果發表在英國《皇家天文學會月刊》(Royal Astronomical Society)上，它使天文學家們能夠準確把握再電離結束的時間，以及宇宙從寒冷和黑暗狀態變成今天的樣子的時間：在發光星系之間的空間里充滿了熱的、電離氫氣。氫氣使來自遙遠星系的光線變暗，就像冬天早晨的街燈被霧弄暗一樣。

博科園：通過觀察一種被稱為類星體的特殊類型明亮星系光譜的這種變暗，天文學家可以研究早期宇宙的條件。在過去的幾年裡，對這種特定的變暗模式(稱為萊曼-阿爾法森林)觀察表明，宇宙的「朦朧」在宇宙不同區域存在顯著差異，但這些差異背後的原因尚不清楚。該研究的第一作者、劍橋大學博士後吉里什·庫爾卡尼(Girish Kulkarni)說：我們當時預計類星體發出的光在不同區域變化最多為原來的兩倍，但發現變化約為原來的500倍。

宇宙再電離期的印象圖，圖片：Amanda Smith, Institute of Astronomy

有人提出了一些假設來解釋為什麼會這樣，但沒有一個是令人滿意的。這項新研究的結論是，這些變化是由宇宙中充滿冷氫氣的大區域造成，當時宇宙只有10億年的歷史，這一結果使研究人員能夠確定再電離何時結束。

在再電離過程中，當宇宙從宇宙的「黑暗時代」過渡出來時，星系之間的空間充滿了電離氫等離子體，溫度約為1萬攝氏度。這令人費解，因為大爆炸後的5000萬年，宇宙是寒冷和黑暗的。它包含的氣體溫度僅比絕對零度高几度，沒有發光的恆星和星系。

那麼，為什麼在大約138億年之後的今天，宇宙沐浴在各種星系中恆星發出的光中，而氣體溫度是現在的1000倍呢？在過去的二十年里，回答這個問題一直是宇宙學研究一個重要目標。這項新研究結論表明，再電離發生在大爆炸之後的11億年(或者說127億年前)，比之前認為的要晚得多。來自印度、英國、加拿大、德國和法國的研究人員在英國科學技術設施理事會(STFC)和歐洲先進計算夥伴關係(PRACE)資助下，在劍橋大學、杜倫大學和巴黎大學的超級計算機上進行了最先進的計算機模擬，並在此基礎上得出了結論。

劍橋大學的Martin Haehnelt說：當宇宙存在11億年的時候，宇宙中仍然有大片的區域，星系之間的氣體仍然是冷的，正是這些中性冷氣體島嶼解釋了這些令人困惑的觀察結果。加拿大理論天體物理研究所的勞拉·基廷說：這最終使我們能夠比以前更準確地確定再電離的終點。新研究表明，宇宙是由第一個形成星系年輕恆星發出的光再電離的。對於未來旨在探測宇宙早期中性氫的實驗來說，晚再電離也是一個好消息，再電離越晚，這些實驗就越容易成功。一個這樣的實驗是十國平方公里陣列(SKA)，其中包括加拿大、法國、印度和英國。

博科園｜研究/來自: 劍橋大學

參考期刊《皇家天文學會月報刊》

DOI: 10.1093/mnrasl/slz025

博科園-傳遞宇宙科學之美

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