在大霹靂放出光亮后不久，所有的光消散了，宇宙陷入黑暗之中。約10億年后，宇宙重現(xiàn)光明；天文學(xué)家正致力解開其中的秘密。
撰文／雷蒙尼克（Michael D. Lemonick）
翻譯／李沃龍
重點(diǎn)提要
■宇宙的第一代恒星與星系完全不像我們今天所見的天體，天文學(xué)家企圖「回溯時(shí)光」，研究宇宙最早天體的起源。
■「再游離化」是指光游離了當(dāng)時(shí)彌漫在宇宙里的中性氫，天文學(xué)家對(duì)于再游離化的原因特別感興趣。
■觀測(cè)數(shù)據(jù)與電腦模擬顯示，具有上百萬太陽質(zhì)量的恒星或能噴出氣體的巨大黑洞，可能是推動(dòng)再游離化的天體。
大約138億年前，或更詳細(xì)地說是在大霹靂后約40萬年，宇宙突然陷入無盡的黑暗之中。在那一刻之前，整個(gè)宇宙是一團(tuán)高溫、炙熱而翻騰不止的電漿──包含質(zhì)子、中子與電子的致密氣體云。假如有人能在當(dāng)時(shí)觀察整個(gè)宇宙，會(huì)發(fā)現(xiàn)它看來就像一團(tuán)燦爛奪目的濃霧。
大霹靂后38萬年，宇宙經(jīng)歷了難以想像的明亮，膨脹中的宇宙持續(xù)降溫、濃霧消散，直到足以形成氫原子，這個(gè)事件稱為再復(fù)合（recombination）。隨后萬物遁入黑暗之中，宇宙進(jìn)入了天文學(xué)家所謂的黑暗時(shí)代。
那是名副其實(shí)的漫漫長夜。即便第一代恒星開始發(fā)光，它們最耀眼的光其波長全都落在光譜的紫外線波段，那正是剛形成的氫氣最容易吸收的光。宇宙用它最初高溫、絢爛的濃霧，換來一片凄冷的黑霧。
這片黑霧最后消褪了，但是究竟為何消褪，卻是個(gè)長期困擾天文學(xué)家的問題。這或許是由第一代恒星完成，因?yàn)樵谝粋€(gè)稱為「再游離化」（reionization）的過程中，恒星發(fā)出的強(qiáng)烈光線緩慢但持續(xù)地?fù)羝茪湓?。此外，再游離化所需的能量，也可能來自高溫氣體墜入巨大黑洞時(shí)產(chǎn)生的輻射。
毫無疑問地，要明了再游離化何時(shí)與如何發(fā)生的關(guān)鍵，就是找尋宇宙中最古老的天體，并梳理出它們的來源與本質(zhì)。第一代恒星何時(shí)開始發(fā)光？它們的樣貌為何？個(gè)別恒星是如何聚攏組成星系，并且?guī)缀踉诿總€(gè)星系的核心區(qū)域都可發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞，那些星系又是如何形成黑洞？再游離化究竟是在恒星到星系、再到黑洞過程之間的哪個(gè)時(shí)刻發(fā)生？而這個(gè)過程是逐步或瞬間達(dá)成？
自1960年代起，天文物理學(xué)家便開始思考這類問題。但直到最近，天文望遠(yuǎn)鏡與電腦模型的功能大增，才足以提供部份解答：后者模擬宇宙第一代恒星的出現(xiàn)與演化，而前者則搜集大霹靂后五億年內(nèi)的微弱星光證據(jù)，那個(gè)時(shí)段正是第一代星系的襁褓期。
點(diǎn)燃巨星
大約10多年前，天文學(xué)家相信他們已充份理解第一代恒星的起源。再復(fù)合結(jié)束后，充斥在宇宙中的氫原子隨即均勻散布至廣大的空間中。另一方面，暗物質(zhì)早已開始匯聚，形成平均質(zhì)量介于10萬~100萬太陽質(zhì)量之間的結(jié)構(gòu)，稱為「暈」。這些暈的重力會(huì)吸入氫原子。當(dāng)氣體越來越集中，溫度也越來越高，最終化為一團(tuán)烈焰璀璨的火球，就形成了宇宙第一代恒星。
原則上，這些天文學(xué)家稱為第三族恒星（PopulationIII star）的第一代恒星，應(yīng)該能破除氫氣的遮蔽而使宇宙再游離化，但這其實(shí)取決于這些恒星的本質(zhì)。假如它們不夠明亮或活得不夠久，就無法順利達(dá)成這個(gè)過程。
這些恒星的本質(zhì)與體型息息相關(guān)。10多年前，天文學(xué)家普遍認(rèn)為它們都是體型巨大的恒星，每顆恒星的質(zhì)量約是太陽的100倍以上（參見42頁〈宇宙的年輕巨星〉）。這是因?yàn)楫?dāng)一團(tuán)氣體云受到重力而塌縮時(shí)，溫度會(huì)升高，高溫產(chǎn)生的輻射壓力能抵抗重力；除非恒星能排出這些熱能，否則將會(huì)嚴(yán)重阻礙氣體云的塌縮。
第一代恒星主要由氫構(gòu)成，這種元素的散熱能力相當(dāng)差。（像我們太陽這種恒星，具有諸如氧與碳這類微量但極重要的元素，可幫助它們冷卻。）結(jié)果使得早期宇宙中的原恒星會(huì)持續(xù)累積氫氣，但恒星內(nèi)部的高壓阻撓它形成致密核心，以至于無法啟動(dòng)核融合反應(yīng)，來把周遭的氣體送回太空。于是恒星便繼續(xù)吞食越來越多的氣體，直到建構(gòu)出一個(gè)松散的大質(zhì)量核心為止。
2014年在美國哈佛大學(xué)擔(dān)任博士后研究員的葛瑞福（Thomas Greif）表示：「但現(xiàn)在看起來，事情有些復(fù)雜?！惯@些最新的電腦模型不僅包含重力，也包括了一套方程式，可用來描述氣體塌縮時(shí)不斷增壓的氫氣所產(chǎn)生的效應(yīng)。模擬結(jié)果顯示，塌縮的氫氣云可形成許多不同結(jié)果：在某些狀況下，可形成上百萬太陽質(zhì)量的第一代恒星；在其他狀況下，則碎裂成許多只具有數(shù)十太陽質(zhì)量的恒星。
這些巨大體型的差異意味第一代恒星的壽命長短范圍相對(duì)大，因此也影響了再游離化的發(fā)生時(shí)機(jī)。具有100太陽質(zhì)量以上的巨大恒星，是天文學(xué)上放蕩不羈的搖滾巨星：它們的生活節(jié)奏快速而壽命短暫。較小的恒星消耗核燃料的速率較慢，如果恒星真的是造成再游離化的原因，代表整個(gè)過程將十分漫長、延續(xù)好幾億年。
黑洞之光
無論這些恒星的體型多大，它們?cè)谒s成黑洞前，都會(huì)化為超新星、壯烈結(jié)束生命。而這些黑洞或許比其前身恒星，更適合推動(dòng)再游離化的形成。
黑洞貪婪地吞食周遭的氣體，當(dāng)氣體墜入時(shí)，會(huì)受到強(qiáng)力擠壓而使溫度陡然升高到好幾百萬度。雖然這些炙熱無比的氣體最終大多墜入黑洞而消失，但有些會(huì)以噴流型態(tài)返回太空。這些噴流極為明亮，即使相隔半個(gè)宇宙都還能看見它們發(fā)出的光，我們把這些燈塔般的天體稱為類星體（quasar）。
1960~1990年代，類星體是唯一可用來探索早期宇宙的工具。起初，天文學(xué)家對(duì)于這種天體毫無頭緒。類星體就像是附近的一顆恒星，但具有巨大的紅移──它們發(fā)出的光因宇宙膨脹而變紅。那令人印象深刻的紅移顯示，類星體比任何恒星與我們之間的距離遙遠(yuǎn)許多，也比那些恒星明亮許多。天文學(xué)家找到的第一個(gè)類星體是3C 273，它的紅移是0.16，經(jīng)過換算，顯示它的光從20億年前便已出發(fā)旅行了。
普林斯頓大學(xué)的天文物理學(xué)家史特勞斯（MichaelA. Strauss）說：「沒隔多久，人們很快便發(fā)現(xiàn)了紅移2的類星體?！癸@示它的光已旅行長達(dá)100億年以上。1991年，施密特（Maarten Schmidt）、甘恩（James E.Gunn）與史奈德（Donald P. Schneider）在美國加州帕洛瑪天文臺(tái)合作，發(fā)現(xiàn)了一顆紅移4.9的類星體，這可追溯至125億年前，或大霹靂后約10億年。
不過在分析這顆紅移4.9的類星體數(shù)據(jù)后，卻沒發(fā)現(xiàn)任何證據(jù)顯示中性氫吸收掉它的光。顯然宇宙在這個(gè)類星體的光抵達(dá)地球之前，便已完全再游離化。
整個(gè)1990年代期間，未曾有人成功發(fā)現(xiàn)更遙遠(yuǎn)的類星體，這并非是欠缺威力強(qiáng)大的觀測(cè)工具所致。早在1990年代前期，哈伯太空望遠(yuǎn)鏡（Hubble SpaceTelescope）與位在夏威夷茂納開亞火山上的凱克望遠(yuǎn)鏡（Keck telescope）便已開始運(yùn)作，顯著提升了天文學(xué)家探索太空的能力。反而是因?yàn)轭愋求w實(shí)在太稀有了，它只會(huì)由最重的超大質(zhì)量黑洞爆發(fā)形成。而且從我們的位置看來，除非它的噴流恰好直接正對(duì)著我們，否則根本看不到它耀眼的光。
此外，只有當(dāng)黑洞活躍、可吞食氣體時(shí)，這些噴流才能存在。對(duì)大多數(shù)黑洞而言，這類活動(dòng)的高峰期發(fā)生在紅移2~3，這個(gè)時(shí)期的星系平均而言具有比今天更多的氣體。如果觀測(cè)超過這個(gè)距離，類星體的數(shù)量將迅速降低。
直到2000年時(shí)，史隆數(shù)位巡天計(jì)畫（SDSS）利用當(dāng)時(shí)所能建造出最大的數(shù)位偵測(cè)器，有條不紊地搜尋一大片天空，才打破這項(xiàng)紀(jì)錄。加州理工學(xué)院的天文學(xué)家艾里斯（Richard Ellis）表示：「SDSS非常成功地找到許多類星體，紅移超過5.5就有40或50顆類星體?！?/p>
上述信息轉(zhuǎn)自科學(xué)人雜志http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=2418
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