在年夜爆炸产生后的数百万年里，宇宙中翻滚的粒子团逐步冷却，全部宇宙堕入了一片暗中与沉静。当时的宇宙，还不闪烁的恒星点亮夜空，不咱们熟习的旋涡星系，更不行星的踪影，全部宇宙好像被一层中性氢的“幕布”牢牢覆盖着。随后，大概在年夜爆炸产生后的 1 亿年，宇宙开端悄悄产生变更。在随后的 10 亿多年间，它从一片平庸无奇的荒凉气象，逐步演化成了一个充斥活气、丰盛多彩的天下。这一严重改变，始于第一批恒星的出生：这些恒星开端焚烧时，不只开释出了热量，还孕育出了新的物资，而且它们收回的激烈光辉开端“扯破”洋溢在宇宙中的氢气，即电子从氢原子中被剥离出来，这使得宇宙中含量最为丰盛的元素 —— 氢，年夜局部酿成了现在仍然坚持的电离状况。宇宙开展过程：年夜爆炸发生了一群灼热且电离的亚原子粒子（构造比原子更小的粒子）团。多少十万年后，中性原子开端构成于“复合”进程中。紧接着，宇宙迎来了“暗中时期”，全部宇宙都充满着中性氢。但是，在年夜爆炸产生 1 亿多年后的某个时辰，第一批恒星点亮了宇宙的拂晓，它们的光辉从氢气中“拽”出电子，宇宙也由此逐步从新电离。图片起源：日本国破地理台这个氢状态产生改变的要害时代，被称为“再电离时期”。它始于宇宙的拂晓，并演变到了领有种种巧妙构造跟特点的古代宇宙时期。能够说，“再电离时期”是宇宙开展的重要舞台，其见证了宇宙的生长过程。德克萨斯年夜学奥斯汀分校的实践天体物理学家朱利安・穆尼奥斯（Julian Muñoz）曾表现：“再电离是咱们宇宙产生的最后一次严重改变。”由于在那 10 亿年阁下的时光里，宇宙万物都产生了剧变，而在尔后的数十亿年里，宇宙的变更则绝对较小。只管现有实践描写了再电离这一严重改变可能是怎样产生的，但咱们对宇宙的认知仍存在很多疑难。比方，第一批恒星毕竟何时构成？它们收回的光芒又是何时激发了宇宙的再电离？哪种星系在这一进程中施展的感化最年夜？黑洞又表演了怎么的脚色？再电离在时空维度上是怎样开展的？对暗物资实质等其余宇宙神秘而言，它又能供给哪些线索呢？现在，跟着科技的开展，全新的科研东西一直呈现，迷信家们得以深刻回溯宇宙最初的 10 亿年，这使得上述一些谜底正逐步变得触手可及。比方，2021 年发射的詹姆斯・韦布空间千里镜（JWST），正聚焦于年夜爆炸后仅数亿年就已存在的星系，而且一直带来令人惊喜的发明；下一代射电千里镜将眼光投向了已经洋溢于全部宇宙空间的中性氢，这些氢气为咱们懂得再电离时期的开展以及宇宙的其余特点供给了主要线索。光辉四溢：晚期宇宙的星系与光现在，咱们对晚期宇宙开展的认知大抵如下：138 亿年前，年夜爆炸产生，宇宙开端收缩，由亚原子粒子形成的原始“浓汤”逐步冷却。在最初的一秒内，质子跟中子构成；随后的多少分钟里，它们联合构成了原子核。大概 38 万年后，原子核开端捕捉电子，第一批原子就此出生。这一电离“浓汤”改变为中性原子的里程碑变乱，被称为“复合”（不外这实在是个误称，由于在此之前，原子核跟电子从未联合过）。在电子被捕捉构成原子之前，自在电子就像汽车前灯照耀下的浓雾一样，激烈散射着光芒。但跟着电子被约束，光子得以在宇宙中自在传布。现在，这些光子以一种幽微的情势到达地球，这就是咱们熟知的宇宙微波配景辐射。随后，宇宙进入了“暗中时期”：宇宙中洋溢大批氢气跟少局部氦气，不太多可能发生光的物资。但是，此时的暗物资团却在悄悄吸引着四周的气体，在年夜爆炸产生 1 亿年或更久之后，局部气体凝集到必定水平，激发了核聚变反映，第一批恒星便在宇宙的拂晓中出生了。跟着这些晚期恒星的焚烧，它们收回的电离紫外线开端从地点星系逃逸，并发生了电离氢气团。这些气团一直收缩、兼并，终极填满了全部宇宙。詹姆斯・韦布空间千里镜无望解答很多对于晚期星系以及它们的光芒是怎样推进再电离进程的。这台千里镜在应用初期聚焦于良多年夜爆炸产生后不到 6 亿年就已存在的星系，辅助迷信家们一直发明更陈旧的星系。比方，在 2022 岁终，迷信家发明了在年夜爆炸产生后仅 3.5 亿年就已呈现的星系，这是事先发明的最陈旧星系；而这一记载并不坚持多久便被革新，加州年夜学圣克鲁兹分校的天体物理学家布兰特・罗伯逊（Brant Robertson）及其共事于 2024 年中发布发明了一个年夜爆炸产生后仅 2.9 亿年的星系。现在来看，跟着研讨的深刻，詹姆斯・韦布空间千里镜带来了很多可贵的信息，但也对人们的认知带来了更多的打击：（1）晚期宇宙中的星系数目以及它们包括的恒星数目远超迷信家的预期。2023 年，6 个年夜爆炸产生后 7 亿年内构成的星系激发了存眷，由于只管处于宇宙晚期，但它们的恒星却能与现在领有 600 亿个太阳恒星的河汉系相媲美。因为宇宙尺度实践无奈说明为何这么早就有如斯多的恒星构成，因而这些星系便被迷信家称为“宇宙损坏者”。科罗拉多年夜学博尔德分校的天体物理学家埃丽卡・纳尔逊（Erica Nelson）是这些星系相干论文的合著者之一，她表现：“这象征着晚期宇宙要么比咱们设想的愈加凌乱、更具暴发性，要么宇宙中的事物演变速率比咱们以为的更快。”JADES-GS-z14-0 星系，拍摄于詹姆斯・韦布空间千里镜，它攻破了已知最悠远星系的记载，构成于年夜爆炸产生后的 2.9 亿年。图片起源：美国国度航空航天局、欧洲航天局、加拿年夜航天局、空间千里镜迷信研讨所、布兰特・罗伯逊（加州年夜学圣克鲁兹分校）、布赖恩・约翰逊（哈佛 - 史密松天体物理核心）、斯特凡诺・塔切拉（剑桥年夜学）、帕特里克・卡吉尔（哈佛 - 史密松天体物理核心）这些发明促使迷信家从新审阅星系的演变进程，也激发了对于再电离的诸多严重成绩。（2）这些星系发生的光芒远远超越使宇宙再电离所须要的量，这象征着再电离应当产生的比人们当初所认知的更早。巴黎天体物理研讨所的天体物理学家哈基姆・阿泰克（Hakim Atek）及其共事发明，即便是詹姆斯・韦布空间千里镜观察到的最黯淡的晚期星系，发生的再电离光芒也是预期数目的四倍。只管这些星系亮度较低，但数目浩繁，只依附它们多少乎便能够使宇宙实现再电离。并且詹姆斯･韦布空间千里镜还发明了一些迹象，标明超年夜品质黑洞在宇宙汗青中构成的时光比设想的要早得多｡它们在吞噬四周物资时发生的高能辐射也会对再电离有所奉献｡以上各种标明，再电离应当产生的比人们当初所认知的更早，如穆尼奥斯及其共事在 2024 年宣布的一篇题为“Reionization after JWST: a photon budget crisis?（詹姆斯・韦布空间千里镜之后的再电离：光子估算危急？）”的论文中指出：基于现有的光芒数目，宇宙应当比咱们已知的时光更早实现再电离。这一成绩确实切谜底，至今还是地理界的谜题。在氢中寻觅线索：摸索再电离的新道路其余研讨则经由过程应用下一代射电千里镜，追踪晚期宇宙中差别时代中性氢的含量，以此探寻再电离的进程。迷信家们曾经经由过程多种方法对氢停止探测。比方，宇宙微波配景辐射的散射情形，为咱们供给了自卑爆炸后约 38 万年光芒发射以来再电离总量的线索；对类星体（由正在吞噬物资的黑洞发生的晶莹辐射源）发生的光的探测（中性氢在其射向观察者的门路上，会接收类星体特定波长的光），也是一种断定中性氢的方式，以上的方式面对着多种艰苦，如类星体探测中，跟着追溯到更早的时代，类星体的数目会越来越少。因而，迷信家们当初试图探测中性氢本身收回的射电旌旗灯号，并实验追溯到其在被电离之前的时代。这种射电旌旗灯号源于中性氢原子中电子的量子跃迁，此跃迁会发射出波长为 21 厘米的大批电磁辐射，这种旌旗灯号因而被称为“21 厘米谱线”，固然并不罕见，但傍边性氢大批存在时，就有可能被探测到。21 厘米谱线自 20 世纪 50 年月以来就已被探测到, 其感化不止于追踪中性氢的散布，它还能像“温度计”一样，辅助迷信家更好地懂得宇宙温度，包含何时以光或热的情势向星系间介质注入能量的线索。因而 21 厘米谱线已在地理学中失掉了普遍利用，但人们现在尚未从晚期宇宙中明白探测到它｡地理学家们揣测这种旌旗灯号的能量可能来自第一批恒星跟正在吞噬物资的黑洞，也可能表示着一些更为独特的景象，比方暗物资与本身的彼此感化或暗物资与罕见物资之间未知的彼此感化。穆尼奥斯指出，这些彼此感化可能会使星系间介质升温或降温。而 21 厘米谱线就是研讨这些进程的一种无效道路，它能供给其余方法无奈取得的信息。“氢再电离时期阵列”（HERA）是浩繁探测 21 厘米谱线旌旗灯号的射电千里镜的此中之一，与以庞杂跟昂贵著称的詹姆斯・韦布空间千里镜差别的是，HERA 的装备更为“接地气”。依据加州年夜学伯克利分校的天体物理学家乔希・狄龙（Josh Dillon）的描写，HERA 就像是由聚氯乙烯管、金属丝网跟电线杆等低本钱资料制成的一样。HERA 由 350 个射电天线构成，散布在南非北开普省 0.05 平方千米的地区内。固然千里镜自身的技巧含量不高，但观察进程须要开始进的旌旗灯号处置跟数据剖析技巧。这是由于这种旌旗灯号自身十分幽微，须要在来自河汉系跟其余星系的激烈射电噪声中被辨认出来。因而，狄龙将探测 21 厘米旌旗灯号比作在一场音乐会上，当高音强度是低音 10 万倍时去辨别低音。HERA 千里镜由位于南非的 350 个射电天线构成，旨在探测晚期宇宙中洋溢的中性氢收回旌旗灯号的稳定。图片起源：南非射电地理台中性氢在宇宙平分布的存在变更，会惹起 21 厘米谱线旌旗灯号的空间变更，HERA 便旨在对这种空间变更停止统计丈量，这有助于咱们懂得氢气以及恒星跟星系的散布情形同时，另有其余团队在努力于停止团体丈量，即获取全部太空的均匀旌旗灯号。因为技巧方式差别，差别的丈量方法能够彼此验证。对中性氢探测失掉的成果同样超越了现有实践的框架，研讨职员开端应用暗物资来说明这些成果。如 2018 年，“探测再电离时期寰球特点试验”（EDGES）的研讨职员讲演称，探测到了对应于第一批恒星的光芒开端与四周氢彼此感化时代的均匀 21 厘米谱线旌旗灯号，但是这个旌旗灯号比预期的更强（标明氢气温度比猜测的更低），这激发了人们对该发明的诸多质疑。一些研讨职员以为氢与暗物资之间的彼此感化可能是一种说明，但这须要一些特别的物理景象来支撑。德国海德堡年夜学的观察宇宙学家莎拉・博斯曼（Sarah Bosman）对此曾表现：“人们有良多离奇的实践说明这一发明，但这些实践必需离奇，由于一般物理无奈说明 EDGES 观察到的旌旗灯号强度。”博斯曼否认本人是多数对这一发明充斥热忱的人之一。她以为这一发明鼓励了研讨职员发展其余试验，以证明或辩驳该成果。她说：“它为这个范畴带来了很年夜的推进。”别的，HERA 跟其余千里镜是平方千米阵（SKA）的先行者，而平方千米阵将试图绘制全部天空的 21 厘米谱线旌旗灯号图，它会把南非跟澳年夜利亚的射电天线衔接起来，建成有史以来最年夜的射电千里镜。SKA 现在仍在建立中，在 2024 年已衔接两个站点，并获取了第一批数据。更好的东西，更深刻的认知：摸索宇宙的将来瞻望博斯曼指出：现在没人能断定从 21 厘米旌旗灯号中会取得哪些信息，它可能只要对现有的宇宙演变模子停止微调，也可能提醒出全新的物理学实践，彻底转变咱们对宇宙的认知。因而当初下论断还为时髦早。但狄龙以为 21 厘米谱线将来无望供给“最年夜范围的数据集”，其终极目的是探测年夜爆炸产生后大概 1 亿年到 10 亿年这个时光段的情形，固然这段时光只占宇宙总寿命的不到 10%，但因为宇宙的连续收缩，这段时光内的地区涵盖了可见宇宙约一半的体积。将来将有更多的仪器助力迷信家进一步回溯宇宙汗青。现在，很多国度都有对于在太空乃至月球上制作新射电千里镜的提案，由于在太空中能够防止地球的烦扰。英国剑桥年夜学地理研讨所的宇宙学家跟天体物理学家阿纳斯塔西娅・菲亚尔科夫（Anastasia Fialkov）指出：最陈旧的 21 厘米谱线旌旗灯号达到地球时，其波长会被地球电离层反射招致难以丈量，而太空或月球上的千里镜可能处理这一成绩。对于 21 厘米谱线旌旗灯号的探测成果将与詹姆斯・韦布空间千里镜对晚期星系的观察成果、其继任者南希・格雷斯・罗曼空间千里镜的观察数据、将来像正在智利制作的欧洲极年夜千里镜如许的空中地理台的观察成果一同停止研讨。同时，麻省理工学院的西姆科（Simcoe）指出，类星体研讨同样另有很年夜的摸索空间。他与共事在 2023 年的《地理学与天体物理学年度批评》中宣布了对于晚期宇宙类星体的研讨结果。依照他的观念，类星体在辨认“宇宙中最后仍保存着中性氢的地区”方面十分有效，最年青的恒星、星系，或许孕育它们的物资，很可能就存在于这些地区中。而这些晚期恒星发生的微量元素，可能与古代恒星有所差别。假如类星体收回的光芒在陈旧气云中提醒出这些微量元素，这可能象征着咱们发明了陈旧的恒星群体，乃至可能是第一批恒星。对此，西姆科曾说：“这将象征着咱们终于找到了它们。而咱们摸索的中心目的，就是弄明白宇宙中的庞杂性何时呈现？宇宙毕竟何时开端浮现出现在的样子容貌？”探寻宇宙神秘的征程充斥未知，现在确切无人知晓这些成绩的谜底何时能真相大白。但西姆科深信，现有的观察东西，以及那些行将问世的新装备，都储藏着宏大的潜力，足以霸占这些困难。在他看来，人类正一直凑近这些最终谜底，就像曾经站在门前，微微叩响那扇通往本相的年夜门。跟着科技的连续提高，或者在不远的未来，宇宙演变过程中那些要害节点的奥秘面纱，就会被逐一揭开，浮现在人类面前。作者：Elizabeth Quill