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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

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 F

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


影片观赏:宇宙起源101

(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。」




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