天文学家最新研究发现在宇宙大爆炸后仅1.8亿年就有第一代恒星形成
这张艺术家想像图描绘出宇宙最早恒星的可能样貌。 ILLUSTRATION BY N.R.FULLER, NATIONAL SCIENCE FOUNDATION
最新的宇宙时间轴显示，在大霹雳后约1.8亿年，就有第一代恒星诞生。 ILLUSTRATION BY N.R.FULLER, NATIONAL SCIENCE FOUNDATION
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（神秘的地球uux.cn报道）据美国国家地理（撰文：NADIA DRAKE 编译：林宇威）：天文学家的最新研究发现，在宇宙生成的大爆炸后仅1.8亿年，就有第一代恒星形成。
夜空中的点点繁星，似乎自亘古以来，就伴随人类度过漫漫长夜，但其实在宇宙刚诞生时，这些闪烁的恒星还没出现。现在，科学家回望时空深处的研究结果显示，最早的一批恒星诞生于大爆炸（Big Bang）形成宇宙后约1.8亿年。
在过去几十年来，科学家一直在追求（或者该说是竞争）的研究课题，就是侦测第一代恒星的踪迹。这项观测是EDGES计画的贡献，当第一代恒星发出的光与充满原始宇宙空间的氢气产生交互作用时，会产生不同的无线电波讯号。
如果这些讯号真的站得住脚，那么这次的侦测同时也开启了新的宇宙探索课题，更带来许多有待我们克服的难题。
「在这之前，宇宙曙光（cosmic dawn）时期对我们来说一直是个未知的领域，」南非夸祖鲁－纳塔尔大学（University of KwaZulu-Natal）的物理学家（Cynthia Chiang）如此表示， 「能够以新的方式看到宇宙历史的这个阶段，实在太令人兴奋了，EDGES望远镜的观测让我们首度有机会深入了解第一批恒星的性质。」
宇宙曙光
宇宙在诞生后不久，就陷入了黑暗之中。当高温气体在暗物质（dark matter）团块周围聚集，收缩变得更为紧密，直至足以点燃新生恒星核心的核融合反应，第一代恒星就此诞生。
当这些早期恒星开始往周围宇宙放出紫外线，光子与原始宇宙中的氢气混合，使得这些氢气能够吸收背景辐射并变得半透明。此时，这些氢原子会产生特定频率的无线电波，穿越宇宙时空，让今日的天文学家得以利用无线电波望远镜，观测到来自遥远过去的讯息。
现代的恒星也会向周围发出光线，因此也有相同的现象。但源自第一代恒星影响所产生的无线电波，在宇宙中旅行了很长一段时间，所以这些无线电波的波长被拉得更长了，或者学术一点的说法──产生了红移（redshift ）。这也就是为何天文学家可以利用位在澳洲西部的小天线，确认这些讯号是来自第一代恒星的踪迹。
「在2015年启动仪器后的几个星期内，就首度出现了讯号的迹象，」这篇研究论文的共同作者──亚利桑那州立大学（Arizona State University）的贾德．鲍曼（Judd Bowman）表示，「刚开始我们以为是这个仪器有问题，因为讯号比我们预期的还要更大。」
鲍曼和他的团队成员在过去两年之间，一直致力于排除任何可能的错误，会导致仪器产生类似宇宙黑暗时代结束时的讯号。
「我们做了好几十项测试，才越来越有把握这些讯号确实来外太空，」他说，「但还是得要有另一个团队，使用不同的仪器来确认这项观测，这是非常重要的。」
隶属于另一个科学团队成员的江昕，也在寻找相同的讯号。她同意这项说法：「他们的建议相当正确，下一步就是要用其他实验来确认测量的结果。」
「这种测量方式对系统误差极度敏感，因此非常困难，EDGES团队为了研究微弱的仪器效应，所耗费的心力令人印象深刻。」
从光明到黑暗
如果这些讯号是真的，那么对研究早期宇宙状态的科学家来说，这项研究带来了新的挑战。首先是这些第一代恒星出现的时间，虽然与某些理论的预测相符，却又与另一些理论不太一致。
「从很多方面来说，这个结果都很怪，」加州大学洛杉矶分校（UCLA）的史蒂芬．富拉内托（Steven Furlanetto）如此表示，他致力于研究星系如何形成并产生恒星，他说，「这可能显示有非常奇特的物理现象发生，对很多人来说，这都是件非常令人兴奋的大事情。」比如说，这项观测结果可能告诉我们，会有不同于以往认识的星系。
富拉内托和他的同事在之前的研究中，实际观测最早的已知星系，然后利用电脑模拟早期宇宙的情形，寻找第一代恒星讯号可能出现的时间点。宇宙的第一代星系应该规模很小，而且很脆弱，制造恒星的效率也不是那么好，所以富拉内托认为，第一代恒星的讯号应该会在大爆炸后约3.25亿年才达到最高峰。
但如果在大爆炸后1.8亿年，第一代恒星就已经发出了足够的光线，揭露自身行踪，那么早期的星系势必与我们的认知有所不同。
「最简单的解释就是，这些非常小的星系在宇宙早期的状态和现在不同，能非常有效率的产生恒星，」他说，「这与我们对星系物理的理解，有着非常大的差异。」
另外一方面，原始氢气吸收光子的速率至少比预期的还要高上两倍。这表示我们对早期宇宙温度的理论是有问题的，可能是原始气体比预期更冷，或是背景辐射其实更热。
有意思的是，还有另一篇论文也刊登在2月28日出版的《自然》（Nature）期刊，这篇研究认为与暗物质的交互作用会让气体冷却，而能吸收更多的光子。
暗物质构成了宇宙大部分的质量，但它的行为却与正常的物质不同，因此要理解暗物质十分困难。我们很难直接侦测到暗物质，科学家正努力研究确定暗物质究竟是什么，又是如何随着时间演变而影响宇宙结构。
「如果这是暗物质的讯号──这并非不可能，那就实在太令人兴奋了！」麻省理工学院（MIT）的特蕾西．史莱堤尔（Tracy Slatyer）如此表示。
但她也指出，要下这样的结论还为时过早。另一种可能性是，在当时就是有更多的光子能让氢气吸收，虽然我们还不清楚在这些光子究竟来自早期宇宙的何处。因此，在深入讨论这个暗物质的假设之前，她和其他科学家还在等待其他独立的研究，能够确认EDGES望远镜的发现。
「如果能有机会尝试以目前我们对暗物质和星系的理解，来解释这些观测结果，我觉得会更好。」富拉内托表示：「因为这实在与我们预期的差太多了，所以我很担心这根本只是有什么地方搞错了，虽然我不知道会有什么样的可能性。」
