宇宙何时“醒来”？古老星系或将揭示宇宙转变过程

来源：国家空间科学中心

对我们的宇宙而言，第一批恒星的“醒来”是一个重要时刻，但在科学家看来，这个时刻也异常难以捉摸。

在一项新的研究中，一组天文学家发现了一些迄今为止所见过的最古老的星系。根据研究人员的说法，当宇宙只有6.8亿年的时候，这些天体就已经完全形成了。研究人员还发现了证据，表明这些星系当时向周围释放了大量的紫外线辐射。　　

那次辐射释放形成了巨大的气泡，中性气体在气泡中被激发和电离，为天文学家提供了第一张直接描绘宇宙中一个重要转变时期的图像。　　

黎明之前

很久以前，宇宙中还没有恒星闪耀。在宇宙形成初期，一切物质都很均匀，从一个地方到另一个地方的平均密度都差不多。这种均匀、中性的宇宙，与宇宙诞生的最初阶段相比有很大的不同。在更早时期，比如大爆炸后的最初几十万年，我们的宇宙是如此的炙热和稠密，以至于呈现为等离子体状态；不断的紧密碰撞也使原子裂解成电子和原子核。　　

然而，当宇宙成长到38万年时，所有的混乱都结束了。那时，物质足够分散，温度足够低，使电子可以与原子核结合，形成最初的氢原子和氦原子。这一事件的发生释放了大量的辐射，一直延续到了今天，并且备受关注，这就是宇宙微波背景辐射。　　

数百万年以来，宇宙一直保持着这种平静、中性的状态。但随着宇宙的膨胀和冷却，微小的“种子”开始形成，一些气体的密度由于某种偶然原因而比周围的环境稍微大一些。这种微小的密度增强使它们具有了微小的引力边缘，将周围的物质吸引过来。随着气体团的增长，它们有了更大的引力影响，可以吸收更多的物质。在漫长的岁月中，第一批恒星和星系就在寂静、黑暗、中性的宇宙中一点一点地成长。

宇宙的“苏醒”

我们不知道第一批恒星在什么时候形成，但可以确定的是，它们是以一种巨大而奇妙的方式形成的。随着它们的形成，宇宙也不再中性，而是发生了电离。　　

我们每天接触的大部分物质都是由完整的原子构成的，而所有的原子核都被电子壳层包围着。化学反应就如同美妙而复杂的舞蹈，不同原子的电子壳层在其中快速地旋转并相互结合。但实际上，这种情况在宇宙中并不常见。到目前为止，宇宙中绝大多数物质都是等离子体，就和很久很久以前一样，电子和原子核自由地独立存在。太阳是等离子体，其他恒星也是等离子体；星云由等离子体组成，而恒星和星云之间的所有物质？也是等离子体。　　

当宇宙成长到38万年时，从等离子体变成了中性气体。今天，在130亿年之后，大部分的宇宙又变成了等离子体。一定是有什么原因将大部分宇宙中的原子分裂了。考虑到我们已经对等离子体宇宙进行了尽可能的观察，追溯到了最早出现在宇宙舞台上的一些恒星和星系，因此无论这种“再电离”的原因是什么，这一过程肯定在很早以前就发生了。

　天文学家认为，第一代恒星（以及它们作为超新星爆发并死亡的过程）释放出的极端紫外辐射使宇宙重新变成了等离子体。但令人沮丧的是，我们不知道这一变化发生的确切时间。即使是目前最强大的望远镜，以及最深入的勘测技术，也没有能力回望那么久远的宇宙。我们可以清楚地看到宇宙微波背景辐射，也可以清楚地看到今天的宇宙，但中间部分直到现在仍是一个未解之谜。　　

我们不知道第一批恒星何时出现——天文学家将该事件称为“宇宙黎明”——我们也不知道随后的“再电离时代”何时开始。　

等离子体泡

这种情况已经开始改变。天文学家正在寻找更加古老的星系，对它们周围的气体进行研究，试图了解宇宙成长和演化中这个重要的时期。最近，一个国际研究小组发现了三个星系，它们极其微弱，也小得令人难以置信，并且距离我们异常遥远。

当我们的宇宙只有6.8亿年的时候，这些小星系已经完全形成并开始运作了。这并不奇怪，因为此前也发现过同样古老的星系。但在这项研究中，研究人员获得了一个新发现：通过检测这三个星系附近环境所发出的辐射，他们发现这些星系已经开始向它们的周围吹出电离的等离子体泡。　　

换句话说，从这些星系中释放的辐射已经开始改变周围的宇宙。这是第一个表明再电离时期仍在继续的明确迹象。尽管天文学家推测宇宙在十亿年时已经完成了再电离，但没有人想到这一过程会发生得如此之早。　　

这些星系是即将发射（预计在2021年3月30日）的詹姆斯·韦伯太空望远镜的绝佳目标，该望远镜正是为研究宇宙历史的这一时期而专门设计的。如果研究结果成立，并且未来能发现更多再电离的例子，那我们或许最终能够从宇宙最古老、剧烈的历史中理解这一转变时期。