照亮宇宙的第一缕光从何而来?早期星系样本揭秘

BIGBANG之后约30万年，进入黑暗时代。在那漫长的日子里，时间几乎冻结，没有恒星，没有星系，整个宇宙充满了中性氢。

再次照亮宇宙的第一缕光线来自哪里？宇宙是什么时候开始变亮的？

数据图:太空

中国科学技术大学王俊贤教授、中科院上海天文台郑振亚研究员及其合作者最近观测并获得了一个宇宙早期的星系样本，发现当时宇宙星际介质中氢的电离率约为50%。就像黎明明之前的黑暗一样，在这个黑暗时代结束的时候，宇宙中第一代恒星和星系开始形成，它们的紫外线辐射电离了周围的中性氢，使得整个宇宙开始有点变亮。

最近，这一突破发表在国际领先的天体物理学杂志《天体物理学快报》上。当地时间7月11日，美国国家光学天文台以“遥远的星系揭开宇宙黑暗时代末期的面纱”为题写了一篇专题文章。

一个非常有挑战性的问题

我们来看看宇宙的前世。

大约138亿年前，我们的宇宙在一次大爆炸中形成，当时温度达到10亿摄氏度以上。氢和氦就是在这个时候产生的。大爆炸决定了氢和氦各自的比例，氢约占总数的90%。

想象一下，当时整个宇宙就是一锅热粥，氢被电离了。那时，宇宙是明亮的。随着温度下降，宇宙逐渐降温，一旦电离的氢变成中性氢，可以吸收宇宙中的紫外光，从而束缚这些光子，使其无法自由到达远方。BIGBANG之后约30万年，整个宇宙陷入黑暗。

但是在宇宙的这个黑暗时期，在重力的作用下，宇宙的结构开始逐渐成型:氢形成了第一代恒星和星系，第一代恒星的质量可能很大，相当于几百个太阳。这些恒星融合时产生大量的紫外光子，并产生许多像气泡一样的电离气泡。随着电离的加速，在一个特殊的阶段，整个宇宙的星际介质再次成为电离环境，从而结束了宇宙的黑暗时代。

这个过程叫做“再电离”。虽然天文学家知道它发生在大爆炸后的3亿到10亿年之间，宇宙中的第一代星系在其中发挥了重要作用，但确定再电离的详细过程和第一代星系形成的时间一直是天体物理学前沿非常具有挑战性的问题。

在8亿年的宇宙中，“雾”开始消散

假设BIGBANG中的一个光子已经不间断运行了很长时间。如果科学家能够解释它所携带的信息，他们就可以一瞥早期宇宙。我们现在能看到的宇宙最远的信号是来自宇宙的微波背景辐射。20世纪60年代初，两位美国科学家建立了一种高灵敏度的喇叭天线系统，以改善卫星通信。为了降低噪音，他们甚至去掉了天线上的鸟粪，但还是有无法消除的背景噪音。这是由宇宙微波背景辐射引起的，这使他们获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

虽然宇宙微波背景辐射是研究宇宙再电离周期的重要方法，但这种方法有局限性，通常结合对宇宙早期星系的研究，如类星体、伽玛暴和那个特殊时期的恒星形成星系，来获得再电离的演化历史。但早期宇宙的类星体数量很少，早期宇宙的伽玛暴很难捕捉到。所以早期宇宙的恒星形成星系现在是研究宇宙再电离的热点。宇宙中这些早期天体辐射的莱曼α光子一直是科学家探测宇宙再电离的关键手段，因为这个发射射线光子会被分散在宇宙中的中性氢原子散射。如果说宇宙整体的中性氢环境像雾，那么这些早期宇宙中的莱曼阿尔法星系就像雾中的车灯，有些模糊不清。一旦周围环境开始电离，雾就会逐渐减弱，当氢气完全电离后，雾就会消失。

“宇宙再电离期的莱曼阿尔法星系”是由中国科学技术大学王俊贤教授发起并组织的国际研究项目，中国、美国和智利的天文学家参加了该项目。中科院“百人计划”青年人才候选人、上海天文台郑振亚研究员是该项目的协办单位。

8亿年的宇宙年龄处于宇宙再电离研究的前沿。由于观测的挑战，在过去的10年里，国际上对这个宇宙时代和更远的莱曼阿尔法星系的研究进展缓慢。LAGER在8亿年前的第一个目标区域探测到23例莱曼Alpha发射线星系。这些样本也是宇宙时代获得的最大的星系样本。发现10亿年时的莱曼阿尔法星系数量约为8亿年时的4倍。“这说明宇宙再电离的过程开始于更早的阶段，在宇宙8亿年的年龄还没有完成。它大概处于半电离半电中性的状态，而且是不均匀的。”论文第一作者郑振亚说。

这个结果意味着宇宙还不到现在年龄的6%，这个“雾”已经开始消散；早期宇宙中很大一部分第一代星系形成于8亿年前。记者黄海华