科學(xué)家們可能首次探測(cè)到了宇宙最原始時(shí)期的“黎明之光”。研究者們?cè)?月1日出版的《自然》雜志上報(bào)道稱(chēng)宇宙最早的一批恒星誕生于大爆炸后約1.8億年?！坝钪娴睦杳鳌痹诃h(huán)繞恒星周?chē)臍錃庵辛粝铝酥虢z馬跡，被無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)設(shè)備所探測(cè)到。

宇宙最早期的恒星是藍(lán)色的，它們發(fā)出的紫外線(xiàn)使氫原子吸收了特定波長(zhǎng)的宇宙微波背景輻射，這一現(xiàn)象發(fā)出的信號(hào)如今被科學(xué)家探測(cè)到

“這是一個(gè)非常激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，我們首次有機(jī)會(huì)一睹宇宙那段原始時(shí)期的模樣。”來(lái)自南非的宇宙觀測(cè)學(xué)家H. Cynthia Chiang說(shuō)。他本人并沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。

能用天文望遠(yuǎn)鏡直接觀測(cè)到的最古老的恒星相比之下要晚好幾億年。這次使用的新的觀測(cè)方法開(kāi)發(fā)研究了大約十年，它的探測(cè)對(duì)象是充滿(mǎn)了早期宇宙的原始?xì)錃鈿怏w。這個(gè)方法的成功應(yīng)用使未來(lái)宇宙學(xué)的研究充滿(mǎn)希望，更多前沿的新技術(shù)和研究方法將會(huì)揭示宇宙最初那段無(wú)法被直接觀測(cè)時(shí)期的樣子。

大爆炸理論中的宇宙演變示意圖。大爆炸發(fā)生于約138億年前

不過(guò)專(zhuān)家表示，目前的研究結(jié)果還有待進(jìn)一步的確認(rèn)，因?yàn)閷?shí)際結(jié)果與預(yù)期并沒(méi)有完全一致，尤其是特定頻率電磁波的振幅是預(yù)期的兩倍多。

這個(gè)意料之外的觀測(cè)結(jié)果意味著氫氣比預(yù)想中的要更冷。如果結(jié)果被最終確認(rèn)，可能暗示著一種新的現(xiàn)象在早期的原始宇宙里發(fā)生了。以色列特拉維夫大學(xué)的理論天體物理學(xué)家Rennan Barkana在《自然》雜志上闡述了其中一種可能性，那就是氫原子和暗物質(zhì)粒子之間的一種新的相互作用形式。暗物質(zhì)是宇宙中最神秘莫測(cè)的物質(zhì)，它無(wú)法被直接觀測(cè)或探測(cè)到，卻占據(jù)了整個(gè)宇宙絕大部分的質(zhì)量。

“如果這種解釋沒(méi)錯(cuò)的話(huà)，它很可能值得兩個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?！惫鸫髮W(xué)的理論天體物理學(xué)家Avi Loeb說(shuō)。一個(gè)獎(jiǎng)給“宇宙黎明”的探測(cè)，另一個(gè)給暗物質(zhì)產(chǎn)生的影響。不過(guò)Loeb同樣對(duì)探測(cè)結(jié)果持保留意見(jiàn)：“信號(hào)與我們預(yù)期不符的事實(shí)讓我多少有些緊張?！?/p>

普林斯頓高等研究所的理論宇宙學(xué)家 Matias Zaldarriaga表示，為了增加科學(xué)家們的信心，本次探測(cè)的結(jié)果需要進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的確認(rèn)。另外幾項(xiàng)探測(cè)信號(hào)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)開(kāi)始同步進(jìn)行。

亞利桑那州立大學(xué)的實(shí)驗(yàn)宇宙學(xué)家Judd Bowman和同事們提煉了他們對(duì)于最早的恒星光線(xiàn)作用于氫氣上的證據(jù)：“我們沒(méi)有直接看到星光，但我們探測(cè)到了它對(duì)宇宙環(huán)境的間接作用?！彼麄兯诘挠钪嬖匐婋x時(shí)期探測(cè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（EDGES）追蹤到了古老恒星的痕跡。

在宇宙早期的歷史中，最早誕生一批恒星發(fā)出的光線(xiàn)會(huì)穿過(guò)稠密的氫氣，在這一過(guò)程中，紫外線(xiàn)會(huì)與氫原子相互作用，從而改變不同能量級(jí)中氫原子所占的比例。這種改變會(huì)導(dǎo)致氫氣氣體在宇宙微波背景輻射中吸收一種特定波長(zhǎng)的光線(xiàn)，約21厘米。研究者們探測(cè)到了該波長(zhǎng)光線(xiàn)的顯著減少，從而得出了現(xiàn)在的結(jié)論。

宇宙微波背景輻射

隨著時(shí)間的流逝，在被地球的無(wú)線(xiàn)電收到前，這種光線(xiàn)的波長(zhǎng)會(huì)因?yàn)橛钪娴呐蛎浶?yīng)被拉長(zhǎng)至幾米。通過(guò)測(cè)量伸長(zhǎng)量，研究者們就能精確地描述最早的一批恒星是大爆炸都多少年誕生的。

不過(guò)，想要探測(cè)到這種微弱的信號(hào)變化具有很大的挑戰(zhàn)性，銀河系發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電波都在高得多的能級(jí)，同時(shí)還要避免地球上如調(diào)頻廣播信號(hào)的干擾。所以Bowman和同事們選擇遠(yuǎn)離人類(lèi)文明，在澳大利亞西部?jī)?nèi)陸荒無(wú)人煙的默奇森射電天文臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

科學(xué)家們希望利用相似的方法，更先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備進(jìn)一步確定這些恒星具體是在宇宙的什么地方形成的，并揭開(kāi)宇宙“幼年”歷史中其他時(shí)期的秘密?！拔覀兿蛑粋€(gè)激動(dòng)人心的全新領(lǐng)域邁出了第一步?！?Bowman說(shuō)。

編譯：吳桐

參考文獻(xiàn)

J.D. Bowman et al. An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum. Nature. Vol. 555, March 1, 2018, p. 67. doi: 10.1038/nature25792.

R. Barkana. Possible interaction between baryons and dark-matter particles revealed by the first stars. Nature. Vol. 555, March 1, 2018, p. 71. doi: 10.1038/nature25791.