在大爆炸發生后的數百萬年里，宇宙中翻騰的粒子團逐漸冷卻，整個宇宙陷入了一片黑暗與沉寂。那時的宇宙，還沒有閃耀的恒星點亮夜空，沒有我們熟悉的旋渦星系，更沒有行星的蹤跡，整個宇宙仿佛被一層中性氫的“幕布”緊緊籠罩著。

隨后，大約在大爆炸發生后的 1 億年，宇宙開始悄然發生變化。在隨后的 10 億多年間，它從一片平淡無奇的荒蕪景象，逐漸演變成了一個充滿活力、豐富多彩的世界。這一重大轉變，始于第一批恒星的誕生：這些恒星開始燃燒時，不僅釋放出了熱量，還孕育出了新的物質，并且它們發出的強烈光芒開始“撕裂”彌漫在宇宙中的氫氣，即電子從氫原子中被剝離出來，這使得宇宙中含量最為豐富的元素 —— 氫，大部分變成了如今依然保持的電離狀態。

這個氫形態發生轉變的關鍵時期，被稱為“再電離時代”。它始于宇宙的黎明，并演化到了擁有各種奇妙結構和特征的現代宇宙時代。可以說，“再電離時代”是宇宙發展的主要舞臺，其見證了宇宙的成長歷程。德克薩斯大學奧斯汀分校的理論天體物理學家朱利安?穆尼奧斯（Julian Mu?oz）曾表示：“再電離是我們宇宙發生的最后一次重大轉變。”因為在那 10 億年左右的時間里，宇宙萬物都發生了巨變，而在此后的數十億年里，宇宙的變化則相對較小。

盡管現有理論描述了再電離這一重大轉變可能是如何發生的，但我們對宇宙的認知仍存在許多疑問。比如，第(di)一批恒(heng)星(xing)究竟何時形(xing)成？它(ta)們發(fa)出的(de)(de)光(guang)線又(you)(you)是何時引(yin)發(fa)了宇宙(zhou)的(de)(de)再電離？哪種(zhong)星(xing)系(xi)在這一過程中發(fa)揮的(de)(de)作用最大？黑洞又(you)(you)扮演(yan)了怎樣的(de)(de)角色？再電離在時空維度上是如何發(fa)展的(de)(de)？對于(yu)暗物質(zhi)本質(zhi)等其他宇宙(zhou)奧秘而言，它(ta)又(you)(you)能提供(gong)哪些線索呢(ni)？

如今，隨著科技的發展，全新的科研工具不斷出現，科學家們得以深入回溯宇宙最初的 10 億年，這使得上述一些答案正逐漸變得觸手可及。例如，2021 年發射的詹姆斯?韋布空間望遠鏡（JWST），正聚焦于大爆炸后僅數億年就已存在的星系，并且不斷帶來令人驚喜的發現；下一代射電望遠鏡將目光投向了曾經彌漫于整個宇宙空間的中性氫，這些氫(qing)氣(qi)為我們了解再電離(li)時(shi)代的(de)發展以及宇(yu)宙的(de)其他特征(zheng)提供了重要線索。

光芒四溢：早期宇宙的星系與光

目前，我們對早期宇宙發展的認知大致如下：138 億年前，大爆炸發生，宇宙開始膨脹，由亞原子粒子構成的原始“濃湯”逐漸冷卻。在最初的一秒內，質子和中子形成；隨后的幾分鐘里，它們結合形成了原子核。大約 38 萬年后，原子核開始捕獲電子，第一批原子就此誕生。這一電離“濃湯”轉變為中性原子的里程碑事件，被稱為“復合”（不過這其實是個誤稱，因為在此之前，原子核和電子從未結合過）。在電子被捕獲形成原子之前，自由電子就像汽車前燈照射下的濃霧一樣，劇烈散射著光線。但隨著電子被束縛，光子得以在宇宙中自由傳播。如今，這些光子以一種微弱的形式抵達地球，這就是我們熟知的宇宙微波背景輻射。

隨后，宇宙進入了“黑暗時代”：宇宙中彌漫大量氫氣和少部分氦氣，沒有太多能夠產生光的物質。然而，此時的暗物質團卻在悄然吸引著周圍的氣體，在大爆炸發生 1 億年或更久之后，部分氣體凝聚到一定程度，引發了核聚變反應，第一批恒星便在宇宙(zhou)(zhou)的(de)黎明中誕生了。隨著這些早期(qi)恒星(xing)的(de)燃燒(shao)，它們發出的(de)電離紫外(wai)線開始從(cong)所在星(xing)系逃逸，并產生了電離氫氣(qi)團(tuan)。這些氣(qi)團(tuan)不(bu)斷膨脹、合并，最終填滿了整(zheng)個宇宙(zhou)(zhou)。

詹姆斯?韋布空間望遠鏡有望解答許多關于早期星系以及它們的光線是如何推動再電離過程的。這臺望遠鏡在使用初期聚焦于很多大爆炸發生后不到 6 億年就已存在的星系，幫助科學家們不斷發現更古老的星系。比如，在 2022 年末，科學家發現了在大爆炸發生后僅 3.5 億年就已出現的星系，這是當時發現的最古老星系；而這一記錄并沒有保持多久便被刷新，加州大學圣克魯茲分校的天體物理學家布蘭特?羅伯遜（Brant Robertson）及其同事于 2024 年中宣布發現了一個大爆炸發生后僅 2.9 億年的星系。

目前(qian)來看，隨著(zhu)研究的深(shen)入，詹(zhan)姆斯?韋布空間望遠鏡帶來了許多寶貴的信息(xi)，但也(ye)對人(ren)們的認知帶來了更多的沖擊：

（1）早期宇宙中的星系數量以及它們包含的恒星數量遠超科學家的預期。2023 年，6 個大爆炸發生后 7 億年內形成的星系引發了關注，因為盡管處于宇宙早期，但它們的恒星卻能與如今擁有 600 億個太陽恒星的銀河系相媲美。由于宇宙標準理論無法解釋為何這么早就有如此多的恒星形成，因此這些星系便被科學家稱為“宇宙破壞者”。

科羅拉多大學博爾德分校的天體物理學家埃麗卡?納爾遜（Erica Nelson）是這些星系相關論文的合著者之一，她表示：“這意味著早期宇宙要么比我們想象的更加混亂、更具爆發性，要么宇宙中的事物演化速度比我們認為的更快。”

這些發(fa)現(xian)促使科學家重(zhong)新審視星系的演化過(guo)程，也引發(fa)了關于再(zai)電離的諸多重(zhong)大問題。

（2）這些星系產生的光線遠遠超出使宇宙再電離所需要的量，這意味著再電離應該發生的比人們現在所認知的更早。巴黎天體物理研究所的天體物理學家哈基姆?阿泰克（Hakim Atek）及其同事發現，即使是詹姆斯?韋布空間望遠鏡觀測到的最暗淡的早期星系，產生的再電離光線也是預期數量的四倍。盡(jin)管這些星系亮(liang)度較低，但數量眾(zhong)多，只依靠(kao)它們幾乎便可以(yi)使宇宙(zhou)完成(cheng)再電(dian)離。

而且詹姆(mu)斯?韋布空間(jian)望(wang)遠(yuan)鏡還發(fa)現(xian)了一(yi)些跡(ji)象(xiang)，表明超(chao)大質量黑洞(dong)在(zai)宇宙歷史中形(xing)成(cheng)的時(shi)間(jian)比想象(xiang)的要早得多?它(ta)們(men)在(zai)吞(tun)噬周圍(wei)物(wu)質時(shi)產生(sheng)的高能輻射(she)也會(hui)對再電離有所貢獻(xian)?

以上種種表明，再電離應該發生的比人們現在所認知的更早，如穆尼奧斯及其同事在 2024 年發表的一篇題為“Reionization after JWST: a photon budget crisis?（詹姆斯?韋布空間望遠鏡之后的再電離：光子預算危機？）”的論文中指出：基于現有的光線數量，宇宙應該比我們已知的時間更早完成再電離。這一問題的確切答(da)案(an)，至今仍是(shi)天文界(jie)的謎題。

在氫中尋找線索：探索再電離的新途徑

其他研究則通過使用下一代射電望遠鏡，追蹤早期宇宙中不同時期中性氫的含量，以此探尋再電離的過程。

科學家們已經通過多種方式對氫進行探測。例如，宇宙微波背景輻射的散射情況，為我們提供了自大爆炸后約 38 萬年光線發射以來再電離總量的線索；對類星體（由正(zheng)在吞噬物質的(de)黑洞(dong)產生(sheng)的(de)明(ming)亮輻射(she)(she)源）產生(sheng)的(de)光(guang)的(de)探測（中性(xing)氫(qing)(qing)在其射(she)(she)向(xiang)觀測者的(de)路(lu)徑上(shang)，會吸(xi)收類星體特(te)定(ding)波長的(de)光(guang)），也是一種確定(ding)中性(xing)氫(qing)(qing)的(de)方法，

以上的方法面臨著多種困難，如類星體探測中，隨著追溯到更早的時期，類星體的數量會越來越少。因此，科學家們現在試圖探測中性氫自身發出的射電信號，并嘗試追溯到其在被電離之前的時期。這種射電信號源于中性氫原子中電子的量子躍遷，此躍遷會發射出波長為 21 厘米的少量電磁輻射，這種信號因此被稱為“21 厘米譜線”，雖然并不常見，但當中性氫大量存在時，就有可能被探測到。

21 厘米譜線自 20 世紀 50 年代以來就已被探測到, 其作用不止于追蹤中性氫的分布，它還能像“溫度計”一樣，幫助科學家更好地了解宇宙溫度，包括何時以光或熱的形式向星系間介質注入能量的線索。因此 21 厘米譜線已在天文學中得到了廣泛應用，但人(ren)們目前尚未從(cong)早(zao)期宇宙中明確探測到它?

天文學家們推測這種信號的能量可能來自第一批恒星和正在吞噬物質的黑洞，也可(ke)能暗(an)示著一(yi)些更為奇特的現象，比如暗(an)物(wu)質(zhi)與自身的相(xiang)互(hu)作(zuo)用或暗(an)物(wu)質(zhi)與常(chang)見物(wu)質(zhi)之間(jian)未(wei)知(zhi)的相(xiang)互(hu)作(zuo)用。穆尼奧斯(si)指出，這些相(xiang)互(hu)作(zuo)用可(ke)能會使(shi)星系間(jian)介質(zhi)升溫或降溫。而(er) 21 厘米譜(pu)線便是研究(jiu)這些過程(cheng)的一(yi)種有效(xiao)途徑，它能提供其他(ta)方式無法(fa)獲得(de)的信息(xi)。

“氫再電離時代陣列”（HERA）是(shi)眾多(duo)探測 21 厘米(mi)譜線信號的(de)(de)射電望(wang)遠鏡的(de)(de)其中之一(yi)，與以復雜(za)和昂(ang)貴(gui)著(zhu)稱的(de)(de)詹(zhan)姆斯?韋(wei)布空間(jian)望(wang)遠鏡不同的(de)(de)是(shi)，HERA 的(de)(de)設備更為(wei)“接地氣”。根據加州大學(xue)(xue)伯克利分(fen)校的(de)(de)天體物(wu)理學(xue)(xue)家喬(qiao)希?狄龍（Josh Dillon）的(de)(de)描述(shu)，HERA 就像是(shi)由(you)聚氯乙烯(xi)管(guan)、金屬(shu)絲網和電線桿(gan)等低成(cheng)本材料制(zhi)成(cheng)的(de)(de)一(yi)樣。HERA 由(you) 350 個射電天線組成(cheng)，分(fen)布在南非北(bei)開普(pu)省 0.05 平方千米(mi)的(de)(de)區域內。

雖然望遠鏡本身的技術含量不高，但觀測過程需要最先進的信號處理和數據分析技術。這是因為這種信號本身非常微弱，需要在來自銀河系和其他星系的強烈射電噪聲中被識別出來。因此，狄龍將探測 21 厘米信號比作在一場音樂會上，當低音強度是高音 10 萬倍時去分辨高音。

中性氫在宇宙中分布的存在變化，會引起 21 厘米譜線信號的空間變化，HERA 便旨在對這種空間變化進行統計測量，這有助于我們了解氫氣以及恒星和星系的分布情況同時，還有其他團隊在致力于進行整體測量，即獲取整個太空的平均信號。由于(yu)技術方(fang)法(fa)不同，不同的測量方(fang)式可以相互(hu)驗證。

對中性氫探測得到的結果同樣超出了現有理論的框架，研究人員開始使用暗物質來解釋這些結果。如 2018 年，“探測再電離時代全球特征實驗”（EDGES）的研究人員報告稱，探測到了對應于第一批恒星的光線開始與周圍氫相互作用時期的平均 21 厘米譜線信號，然而這個信號比預期的更強（表明氫氣溫度比預測的更低），這引發了人們對該發現的諸多質疑。一些研究人員認為氫與暗物質之間的相互作用可(ke)能(neng)是(shi)一種解釋，但這(zhe)(zhe)(zhe)需要一些(xie)特殊的物(wu)理現(xian)象(xiang)來支持。德國(guo)海德堡大學(xue)的觀測宇宙(zhou)學(xue)家(jia)莎拉?博(bo)斯曼（Sarah Bosman）對此曾表示：“人(ren)們(men)有很(hen)多(duo)新(xin)奇的理論解釋這(zhe)(zhe)(zhe)一發現(xian)，但這(zhe)(zhe)(zhe)些(xie)理論必(bi)須新(xin)奇，因(yin)為普(pu)通物(wu)理無法解釋 EDGES 觀測到的信(xin)號強度。”博(bo)斯曼承認自己是(shi)少數(shu)對這(zhe)(zhe)(zhe)一發現(xian)充滿熱情(qing)的人(ren)之一。她(ta)(ta)認為這(zhe)(zhe)(zhe)一發現(xian)激(ji)勵了(le)研(yan)究(jiu)人(ren)員開(kai)展其他實驗(yan)，以證實或反駁該(gai)結果(guo)。她(ta)(ta)說：“它(ta)為這(zhe)(zhe)(zhe)個領(ling)域(yu)帶來了(le)很(hen)大的推(tui)動。”

此外(wai)，HERA 和(he)其(qi)他望遠(yuan)鏡是平(ping)方(fang)千米(mi)陣（SKA）的(de)(de)(de)先行者，而平(ping)方(fang)千米(mi)陣將試圖(tu)繪制整(zheng)個(ge)天(tian)空(kong)的(de)(de)(de) 21 厘(li)米(mi)譜(pu)線信(xin)號(hao)圖(tu)，它會把南非和(he)澳大(da)利亞(ya)的(de)(de)(de)射電天(tian)線連(lian)接(jie)起來，建成(cheng)有史(shi)以來最大(da)的(de)(de)(de)射電望遠(yuan)鏡。SKA 目(mu)前(qian)仍在建設中(zhong)，在 2024 年已連(lian)接(jie)兩個(ge)站點，并(bing)獲(huo)取了(le)第一(yi)批(pi)數據。

更好的工具，更深入的認知：探索宇宙的未來展望

博斯曼指出：目前沒人能確定從 21 厘米信號中會獲得哪些信息，它可能只需對現有的宇宙演化模型進行微調，也可能揭示出全新的物理學理論，徹(che)底改變我們對宇(yu)宙的(de)認知。因此現在(zai)下結(jie)論還為時(shi)尚早。

但狄龍認為 21 厘米譜線未來有望提供“最大規模的數據集”，其最終目標是探測大爆炸發生后大約 1 億年到 10 億年這個時間段的情況，雖然這段時間只占宇宙總壽命的不到 10%，但由于宇宙的持續膨脹，這段時間內的區域涵蓋了可見宇宙約一半的體積。

未來將有更多的儀器助力科學家進一步回溯宇宙歷史。目前，許多國家都有關于在太空甚至月球上建造新射電望遠鏡的提案，因為在太空中可以避免地球的干擾。英國劍橋大學天文研究所的宇宙學家和天體物理學家阿納斯塔西婭?菲亞爾科夫（Anastasia Fialkov）指出：最古老的 21 厘米譜線信號到達地球時，其波長會被地球電離層反射導致難以測量，而太空或月球上的望遠鏡能夠(gou)解決這一問題。

關于 21 厘米譜(pu)線信號的(de)探測(ce)結(jie)果(guo)(guo)將與詹姆斯(si)?韋布空間望遠(yuan)鏡對早期(qi)星系的(de)觀測(ce)結(jie)果(guo)(guo)、其繼任者(zhe)南(nan)希?格雷斯(si)?羅曼空間望遠(yuan)鏡的(de)觀測(ce)數據(ju)、未來像正在智(zhi)利(li)建造的(de)歐洲極大望遠(yuan)鏡這樣的(de)地面天文(wen)臺的(de)觀測(ce)結(jie)果(guo)(guo)一起進行研究(jiu)。

同時，麻省理工學院的西姆科（Simcoe）指出，類星體研究同樣還有很大的探索空間。他與同事在 2023 年的《天文學與天體物理學年度評論》中發表了關于早期宇宙類星體的研究成果。按照他的觀點，類星體在識別“宇宙中最后仍保留著中性氫的區域”方面非常有用，最年輕的恒星、星系，或者孕育它們的物質，很可能就存在于這些區域中。而這些早期恒星產生的微量元素，可能與現代恒星有所不同。如果類星體發出的光線在古老氣云中揭示出這些微量元素，這可能意味著我們發現了古老的恒星群體，甚至可能是第一批恒星。

對此，西姆科曾說：“這將意味著我們終于找到了它們。而我們探索的核心目標，就是弄清楚宇宙中的復雜性何時出現？宇宙究竟何時開始呈現出如今的模樣？”探尋宇宙奧秘的(de)(de)(de)征程充滿未知，目前確實無人(ren)知曉(xiao)這些(xie)問題的(de)(de)(de)答(da)案何時能水落石出。但西姆科(ke)堅信(xin)，現有的(de)(de)(de)觀測工具，以及那(nei)些(xie)即將問世的(de)(de)(de)新設備，都蘊藏著(zhu)巨大的(de)(de)(de)潛力，足以攻克這些(xie)難題。在他(ta)看來，人(ren)類(lei)正不斷靠近這些(xie)終極答(da)案，就(jiu)像已經(jing)站在門前，輕(qing)輕(qing)叩響那(nei)扇通往真相的(de)(de)(de)大門。隨著(zhu)科(ke)技(ji)的(de)(de)(de)持續進步(bu)，或許在不遠的(de)(de)(de)將來，宇宙演化歷程中那(nei)些(xie)關鍵(jian)節點的(de)(de)(de)神秘面紗，就(jiu)會被一一揭開，呈現在人(ren)類(lei)眼前。

作(zuo)者(zhe)：Elizabeth Quill

翻譯：涼漸

審校：7 號機

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本文來自微信公眾號(hao)：，作者：Elizabeth Quill

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