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    为什么宇宙黑暗了这么久?

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      普朗克

      在大爆炸的那一刻,宇宙充满了能量,但没有星星。随着它的膨胀和冷却,形成了质子和中子,在最初的3 – 4分钟,以及在大约38万年后的中性原子。就形成了第一颗恒星,但宇宙仍然是黑暗的,在宇宙大爆炸的5亿5千万年前,它的观察者无法看到这种星光。为什么这么长时间?

      为什么宇宙黑暗了这么久?

      我们今天观察到的膨胀的宇宙,充满了星系和复杂的结构,从一个更小、更热、更密集、更均匀的状态产生。然而一旦中性原子形成,就需要约5.5亿年前的“黑暗时代”结束。图片版权:C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

      如想知道的一件事是为什么黑暗时代持续了数亿年?或数量级更小,又或者更多?恒星和星系的形成是光产生的一个巨大的步骤,但它还不足以结束“黑暗时代”本身。

      为什么宇宙黑暗了这么久?

      早期的宇宙充满了物质和辐射,它是如此的炙热和致密,以至于它阻止了质子和中子在第一次的第一次反应中稳定地形成。反物质会消失,物质和辐射粒子以接近光速的速度前进。图片版权:RHIC collaboration, Brookhaven

      试着想象一下宇宙,就像它只有几分钟的时候一样——在中性原子形成之前,太空中充满了质子、光核、电子、中微子和辐射。在这个早期阶段有三个重要的事情发生:宇宙在任何位置上都是非常均匀的,密度最大的区域只有比密度最小的区域多。

      由于引力的作用,而密度过高的区域会产生额外的吸引力,使之发生。而辐射,主要是光子的形式,向外推,抵抗物质的引力效应。只要有足够的能量,它就能阻止中性原子稳定地形成。只有当宇宙的膨胀冷却到足够的温度时,中性原子才不会立即被具体化。

      为什么宇宙黑暗了这么久?

      在早期炙热的宇宙中,中性原子形成之前,光子以非常高的速率散射电子(以及较小的程度,质子),在它们做的时候传递动力。在中性原子形成后,光子简单地沿着一条直线行进。图片版权:Amanda Yoho

      在宇宙诞生38万年后,辐射(大部分是光子)在任何方向上都是自由通过现在中性的物质。138亿年后我们可以看到宇宙大爆炸的余辉——宇宙微波背景。由于宇宙的膨胀,由于波长的延长,它现在处于光谱的“微波”部分。但更重要的是,这里有一种温度波动的模式,它与宇宙中密度过高、密度较低的区域相对应。

      为什么宇宙黑暗了这么久?

      在宇宙只有38万年的时候,密度过高、平均密度和密度较低的区域对应着CMB的冷、平均和热点。图片版权:E. Siegel / Beyond The Galaxy

      一旦形成中性原子,引力就会变得更容易发生,因为光子很容易与自由电子相互作用,但与中性原子的作用要小得多。当光子冷却到更低和更低的能量时,物质对宇宙变得更重要,因此引力开始发生。引力的作用需要大约50 – 1亿年才能使足够的物质聚集在一起,而气体冷却到足以使其坍缩,这样才能形成最初的恒星。核聚变就会点燃,宇宙中第一个重元素诞生了。

      为什么宇宙黑暗了这么久?

      宇宙的大规模结构随着时间的推移而变化,因为微小的缺陷形成了第一个恒星和星系,然后合并形成我们今天看到的巨大的现代星系。从很远的地方看,我们发现了一个更年轻的宇宙,就像我们过去的地方一样。图片版权:Chris Blake and Sam Moorfield

      但即使有了这些星星,宇宙仍然处于黑暗时代。所有这些中性原子遍布整个宇宙,有10^80个,而大爆炸留下的低能量光子对这个正常物质是透明的,高能量的星光是不透明的。这就是为什么你不能在可见光中看到银河中心的恒星,但在更长的时间里(例如红外线),可以通过中性的气体和尘埃看到。

      为什么宇宙黑暗了这么久?

      这四种视图显示了银河系的四个不同波长的光的中心区域,在顶部有较长(亚毫米)波长的波长,穿越了远红外线(2号和3号),并以可见光的方式结束了银河系。注意,尘埃带和前景恒星使中心在可见光下变得模糊。图片版权:ESO/ATLASGAL consortium/NASA/GLIMPSE consortium/VVV Survey/ESA/Planck/D. Minniti/S. Guisard Acknowledgement: Ignacio Toledo, Martin Kornmesser

      为了使宇宙对星光变得透明,这些中性原子需要被电离。很久以前就被电离了——在宇宙有38万年的历史之前,我们将其称为电离化过程。只有当形成足够多的新恒星,释放出足够多的高能,紫外线光子,才能完成这一过程的电离化,并将黑暗时代终结。虽然在大爆炸后的50亿年之后,最初的恒星可能存在,但详细观察已经告诉我们,在宇宙约有5.5亿年前的时候,再电离是不完整的。

      为什么宇宙黑暗了这么久?

      宇宙历史的示意图,只有在第一个恒星和星系形成后才会发生。在恒星或星系形成之前,宇宙充满了阻挡光的中性原子。虽然大多数宇宙直到5亿5千万年前才被电离化,但一些幸运的区域在较早的时候大多被电离化了。图片版权:S. G. Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center

      那么,我们所看到的最早的星系是如何从宇宙只有4亿岁的时候开始的呢?詹姆斯·韦伯太空望远镜将会看到更远的地方吗?有两个因素可以发挥作用:

      TOP1、电离是不均匀的

      为什么宇宙黑暗了这么久?

      仅仅因为这个遥远的星系gn – z11,位于星系间介质主要被具体化的区域,哈勃可以在此刻向我们揭示它。詹姆斯·韦伯将会看得更远。图片版权:NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

      宇宙充满了块状、不完美和不均匀。这也是是伟大的,因为它允许形成恒星,星系,行星,以及人类。但它也意味着一些空间的区域,以及天空中的一些方向,在其他的空间中完全是电离化的。我们所见过的最著名的星系,gni – z11,是一个明亮而壮观的星系,虽然它很年轻,但它也恰好位于宇宙最基本已经完全被具体化的方向。这仅仅是在“平均”电离化时间之前的1.5亿年前发生的意外发现。

      TOP2、较长的波长对这些中性原子是透明

      虽然宇宙在早期的时候是黑暗的,但在可见光和紫外光的照射下,较长的波长对中性原子是透明的。例如“创生之柱”在可见光下是出了名的不透明,但如果我们用红外线观察它们,就能很容易地看到里面的恒星。

      为什么宇宙黑暗了这么久?

      同一物体的可见光(L)和红外(R)波长的观点——创生之柱。注意气体和尘埃对红外辐射的透明度,以及它如何影响我们能探测到的背景和内部恒星。图片版权:NASA/ESA/Hubble Heritage Team

      詹姆斯·韦伯太空望远镜不仅将是一个主要的红外观测站,而且将被设计用于观测从这些早期恒星发出的红外线。通过扩展到30微米的波长,进入中红外,它将能够观察到宇宙黑暗时期。

      为什么宇宙黑暗了这么久?

      随着我们对宇宙的探索越来越多,对不那么微弱的物体越来越敏感,而那些被中性原子所阻挡的物体也会受到干扰。但有了红外线观测站就能看到它们。图片版权:NASA / JWST and HST teams

      宇宙是黑暗的,因为它里面的原子是中性的。即使是98%的被电离化的宇宙仍然不透明到可见光,它需要大约5亿年的星光才能完全电离所有的原子,给我们一个真正透明的宇宙。当黑暗时代结束的时候,我们可以看到所有波长的光,但在此之前,我们要么是幸运的,要么是长得不太好的波长。

      通过形成恒星和星系,让光线变得明亮,还不足以结束宇宙中的黑暗时代。创造光只是故事的一半;创造一个可以一直传播到你眼睛的环境同样重要。为此,我们需要大量的紫外线,这需要时间。然而通过正确的方式可以窥视黑暗,看看我们以前从未观察过的东西,在不到两年的时间里,这个故事就开始了!

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