“宇宙黎明”如何破晓？第一批恒星是如何形成的？

博科园AI人工智能助手 图灵

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也许在过去一百年研究宇宙的过程中，最大的启示就是我们的家会随着时间的变化而演化。而不仅仅是在一些微不足道的方面，比如恒星在移动，气体云压缩，大质量恒星在灾难性的爆炸中死亡。不，在遥远的过去，整个宇宙不止一次地改变了它的基本特征，完全改变了它在全范围的内部状态。举个例子：在雾蒙蒙的、记忆不清的过去里，曾经有一段时间没有恒星。

在黎明前

博科园-科学科普：我们之所以知道这个简单的事实，是因为宇宙微波背景辐射(CMB)的存在，它是一种弱而持久的辐射，浸透了整个宇宙。如果你遇到一个随机的光子(一点光)，很有可能它来自于宇宙微波背景辐射——光占宇宙所有辐射的99.99%以上。它是宇宙诞生27万年前遗留下来的遗迹，从炙热、旋转的等离子体过渡到中性汤(没有正电荷或负电荷)。

随着时间从右到左的流动，这张可视化图显示了在宇宙的黎明之后，从中性氢的薄雾中第一批恒星形成。图片：NASA/STScI

这个转变释放出的白热辐射，在138亿年的时间里，冷却并延伸到微波中，给了我们今天可以探测到的背景光。在宇宙微波背景辐射释放的时候，宇宙的体积只有现在的百万分之一，温度要高几千度，它几乎是完全均匀的，密度差不超过10万分之一，所以，这并不是一个恒星可以快乐存在的状态

黑暗时代

在宇宙微波背景辐射(CMB)释放后的数百万年里，宇宙处于一种奇怪的状态。持续不断的白热化辐射，但随着宇宙持续其不可阻挡的膨胀，辐射很快冷却下来。当然，暗物质也存在，它们自己也在活动。现在的中性气体，几乎完全是氢气和氦气，终于从与辐射的斗争中释放出来，可以随心所欲。它喜欢做的就是尽可能多地和自己呆在一起。幸运的是，它并不需要非常努力：在非常早期的宇宙中，微观量子涨落扩大到密度上的微小差异，这些微小的密度差异没有影响更大的宇宙膨胀，但它们确实影响了中性氢。

任何一个密度比平均水平略大的区域（哪怕只有很小很小的一部分）对邻居的引力都略强一些。这种增强的引力鼓励了更多的气体加入进来，从而放大了引力拖曳，从而鼓励了更多的邻居等等。就像在家庭聚会上大声播放的音乐，作为诱惑更多狂欢者的警笛歌曲一样，在数百万年的时间里，富气变得更富，穷气变得更穷。通过简单的重力作用，微小的密度差异逐渐增大，形成了第一个巨大的物质团块，并清空了周围的物质。

宇宙黎明破晓

在某个地方，最深处的核层堆积在压倒一切的层上，达到了临界温度和密度，迫使原子核以复杂的模式结合在一起，在核聚变中点燃，并将原料转化成氦。这个凶猛的过程也释放了一点能量，在一瞬间，第一颗恒星诞生了。自从大爆炸的头十几分钟以来，核反应首次发生在我们的宇宙中。新的光源照亮了宇宙，使曾经空无一物的空间充满了辐射。但我们并不确定这一重大事件是何时发生的，对这个时代的观察极其困难。

首先，巨大的宇宙距离甚至阻止了最强大的望远镜观测到第一束光。更糟糕的是，早期宇宙几乎完全是中性的，中性气体一开始并不会发出很多光。直到几代恒星粘合在一起形成星系，才对这个重要的时代有了些许了解。我们怀疑第一批恒星是在宇宙形成的前几亿年间形成的。不久之后，我们就直接观测到了星系，活跃的星系核，甚至是星系团的起源——最终在宇宙中出现质量最大的结构。在他们之前的某个时候，第一批恒星必须到达，但不是太早，因为婴儿宇宙的繁忙状态会阻止它们的形成。

在地平线上

尽管即将问世的詹姆斯·韦伯太空望远镜将能够非常精确地定位早期星系，提供大量关于早期宇宙的数据，但望远镜狭窄的视野并不能提供这个时代的全貌。科学家们希望，一些最早的星系中可能包含最早恒星的残余——甚至包括恒星本身——但我们必须等待观察。另一种解开宇宙黎明的方法是通过一个令人惊讶的中性氢的怪癖。当电子和质子的量子自旋随机翻转时，氢发出的辐射波长非常特殊。这种辐射使我们能够在今天的银河系中绘制出中性氢区域，但是到宇宙黎明时代的极端距离带来了完全不同的挑战。

麻烦的是，自从那个早已逝去的时代以来，宇宙就一直在膨胀，这使得所有的星系间辐射都延伸到更长的波长。如今原始中性氢信号的波长约为2米，将信号牢牢地置于无线电频带中。而宇宙中的许多其他东西——超新星、银河磁场、卫星——在相同频率下发出的声音相当大，掩盖了宇宙早期微弱的信号。地球上有几个任务试图找到那个有趣的宇宙黎明信号，从现在的不和谐的声音中挖掘出它的原始耳语，揭示第一批恒星的诞生,但现在，我们只能等着。

博科园｜文：Paul Sutter/Space