“宇宙黎明”如何破晓第一批恒星是如何形成的

时间:2019-07-26 来源:www.zsbohai.com



  

  也许在过去一百年研究宇宙的过程中,最大的启示就是我们的家会随着时间的变化而演化。而不仅仅是在一些微不足道的方面,比如恒星在移动,气体云压缩,大质量恒星在灾难性的爆炸中死亡。不,在遥远的过去,整个宇宙不止一次地改变了它的基本特征,完全改变了它在全范围的内部状态。举个例子:在雾蒙蒙的、记忆不清的过去里,曾经有一段时间没有恒星。

  在黎明前

  博科园-科学科普:我们之所以知道这个简单的事实,是因为宇宙微波背景辐射(CMB)的存在,它是一种弱而持久的辐射,浸透了整个宇宙。如果你遇到一个随机的光子(一点光),很有可能它来自于宇宙微波背景辐射——光占宇宙所有辐射的99.99%以上。它是宇宙诞生27万年前遗留下来的遗迹,从炙热、旋转的等离子体过渡到中性汤(没有正电荷或负电荷)。

  

  随着时间从右到左的流动,这张可视化图显示了在宇宙的黎明之后,从中性氢的薄雾中第一批恒星形成。图片:NASA/STScI

  这个转变释放出的白热辐射,在138亿年的时间里,冷却并延伸到微波中,给了我们今天可以探测到的背景光。在宇宙微波背景辐射释放的时候,宇宙的体积只有现在的百万分之一,温度要高几千度,它几乎是完全均匀的,密度差不超过10万分之一,所以,这并不是一个恒星可以快乐存在的状态

  黑暗时代

  在宇宙微波背景辐射(CMB)释放后的数百万年里,宇宙处于一种奇怪的状态。持续不断的白热化辐射,但随着宇宙持续其不可阻挡的膨胀,辐射很快冷却下来。当然,暗物质也存在,它们自己也在活动。现在的中性气体,几乎完全是氢气和氦气,终于从与辐射的斗争中释放出来,可以随心所欲。它喜欢做的就是尽可能多地和自己呆在一起。幸运的是,它并不需要非常努力:在非常早期的宇宙中,微观量子涨落扩大到密度上的微小差异,这些微小的密度差异没有影响更大的宇宙膨胀,但它们确实影响了中性氢。

  

  任何一个密度比平均水平略大的区域(哪怕只有很小很小的一部分)对邻居的引力都略强一些。这种增强的引力鼓励了更多的气体加入进来,从而放大了引力拖曳,从而鼓励了更多的邻居等等。就像在家庭聚会上大声播放的音乐,作为诱惑更多狂欢者的警笛歌曲一样,在数百万年的时间里,富气变得更富,穷气变得更穷。通过简单的重力作用,微小的密度差异逐渐增大,形成了第一个巨大的物质团块,并清空了周围的物质。

  宇宙黎明破晓

  在某个地方,最深处的核层堆积在压倒一切的层上,达到了临界温度和密度,迫使原子核以复杂的模式结合在一起,在核聚变中点燃,并将原料转化成氦。这个凶猛的过程也释放了一点能量,在一瞬间,第一颗恒星诞生了。自从大爆炸的头十几分钟以来,核反应首次发生在我们的宇宙中。新的光源照亮了宇宙,使曾经空无一物的空间充满了辐射。但我们并不确定这一重大事件是何时发生的,对这个时代的观察极其困难。

  

  首先,巨大的宇宙距离甚至阻止了最强大的望远镜观测到第一束光。更糟糕的是,早期宇宙几乎完全是中性的,中性气体一开始并不会发出很多光。直到几代恒星粘合在一起形成星系,才对这个重要的时代有了些许了解。我们怀疑第一批恒星是在宇宙形成的前几亿年间形成的。不久之后,我们就直接观测到了星系,活跃的星系核,甚至是星系团的起源——最终在宇宙中出现质量最大的结构。在他们之前的某个时候,第一批恒星必须到达,但不是太早,因为婴儿宇宙的繁忙状态会阻止它们的形成。

  在地平线上

  尽管即将问世的詹姆斯·韦伯太空望远镜将能够非常精确地定位早期星系,提供大量关于早期宇宙的数据,但望远镜狭窄的视野并不能提供这个时代的全貌。科学家们希望,一些最早的星系中可能包含最早恒星的残余——甚至包括恒星本身——但我们必须等待观察。另一种解开宇宙黎明的方法是通过一个令人惊讶的中性氢的怪癖。当电子和质子的量子自旋随机翻转时,氢发出的辐射波长非常特殊。这种辐射使我们能够在今天的银河系中绘制出中性氢区域,但是到宇宙黎明时代的极端距离带来了完全不同的挑战。

  

  麻烦的是,自从那个早已逝去的时代以来,宇宙就一直在膨胀,这使得所有的星系间辐射都延伸到更长的波长。如今原始中性氢信号的波长约为2米,将信号牢牢地置于无线电频带中。而宇宙中的许多其他东西——超新星、银河磁场、卫星——在相同频率下发出的声音相当大,掩盖了宇宙早期微弱的信号。地球上有几个任务试图找到那个有趣的宇宙黎明信号,从现在的不和谐的声音中挖掘出它的原始耳语,揭示第一批恒星的诞生,但现在,我们只能等着。

  博科园-科学科普|文:Paul Sutter/Space

  博科园-传递宇宙科学之美

  

  也许在过去一百年研究宇宙的过程中,最大的启示就是我们的家会随着时间的变化而演化。而不仅仅是在一些微不足道的方面,比如恒星在移动,气体云压缩,大质量恒星在灾难性的爆炸中死亡。不,在遥远的过去,整个宇宙不止一次地改变了它的基本特征,完全改变了它在全范围的内部状态。举个例子:在雾蒙蒙的、记忆不清的过去里,曾经有一段时间没有恒星。

  在黎明前

  博科园-科学科普:我们之所以知道这个简单的事实,是因为宇宙微波背景辐射(CMB)的存在,它是一种弱而持久的辐射,浸透了整个宇宙。如果你遇到一个随机的光子(一点光),很有可能它来自于宇宙微波背景辐射——光占宇宙所有辐射的99.99%以上。它是宇宙诞生27万年前遗留下来的遗迹,从炙热、旋转的等离子体过渡到中性汤(没有正电荷或负电荷)。

  

  随着时间从右到左的流动,这张可视化图显示了在宇宙的黎明之后,从中性氢的薄雾中第一批恒星形成。图片:NASA/STScI

  这个转变释放出的白热辐射,在138亿年的时间里,冷却并延伸到微波中,给了我们今天可以探测到的背景光。在宇宙微波背景辐射释放的时候,宇宙的体积只有现在的百万分之一,温度要高几千度,它几乎是完全均匀的,密度差不超过10万分之一,所以,这并不是一个恒星可以快乐存在的状态

  黑暗时代

  在宇宙微波背景辐射(CMB)释放后的数百万年里,宇宙处于一种奇怪的状态。持续不断的白热化辐射,但随着宇宙持续其不可阻挡的膨胀,辐射很快冷却下来。当然,暗物质也存在,它们自己也在活动。现在的中性气体,几乎完全是氢气和氦气,终于从与辐射的斗争中释放出来,可以随心所欲。它喜欢做的就是尽可能多地和自己呆在一起。幸运的是,它并不需要非常努力:在非常早期的宇宙中,微观量子涨落扩大到密度上的微小差异,这些微小的密度差异没有影响更大的宇宙膨胀,但它们确实影响了中性氢。

  

  任何一个密度比平均水平略大的区域(哪怕只有很小很小的一部分)对邻居的引力都略强一些。这种增强的引力鼓励了更多的气体加入进来,从而放大了引力拖曳,从而鼓励了更多的邻居等等。就像在家庭聚会上大声播放的音乐,作为诱惑更多狂欢者的警笛歌曲一样,在数百万年的时间里,富气变得更富,穷气变得更穷。通过简单的重力作用,微小的密度差异逐渐增大,形成了第一个巨大的物质团块,并清空了周围的物质。

  宇宙黎明破晓

  在某个地方,最深处的核层堆积在压倒一切的层上,达到了临界温度和密度,迫使原子核以复杂的模式结合在一起,在核聚变中点燃,并将原料转化成氦。这个凶猛的过程也释放了一点能量,在一瞬间,第一颗恒星诞生了。自从大爆炸的头十几分钟以来,核反应首次发生在我们的宇宙中。新的光源照亮了宇宙,使曾经空无一物的空间充满了辐射。但我们并不确定这一重大事件是何时发生的,对这个时代的观察极其困难。

  

  首先,巨大的宇宙距离甚至阻止了最强大的望远镜观测到第一束光。更糟糕的是,早期宇宙几乎完全是中性的,中性气体一开始并不会发出很多光。直到几代恒星粘合在一起形成星系,才对这个重要的时代有了些许了解。我们怀疑第一批恒星是在宇宙形成的前几亿年间形成的。不久之后,我们就直接观测到了星系,活跃的星系核,甚至是星系团的起源——最终在宇宙中出现质量最大的结构。在他们之前的某个时候,第一批恒星必须到达,但不是太早,因为婴儿宇宙的繁忙状态会阻止它们的形成。

  在地平线上

  尽管即将问世的詹姆斯·韦伯太空望远镜将能够非常精确地定位早期星系,提供大量关于早期宇宙的数据,但望远镜狭窄的视野并不能提供这个时代的全貌。科学家们希望,一些最早的星系中可能包含最早恒星的残余——甚至包括恒星本身——但我们必须等待观察。另一种解开宇宙黎明的方法是通过一个令人惊讶的中性氢的怪癖。当电子和质子的量子自旋随机翻转时,氢发出的辐射波长非常特殊。这种辐射使我们能够在今天的银河系中绘制出中性氢区域,但是到宇宙黎明时代的极端距离带来了完全不同的挑战。

  

  麻烦的是,自从那个早已逝去的时代以来,宇宙就一直在膨胀,这使得所有的星系间辐射都延伸到更长的波长。如今原始中性氢信号的波长约为2米,将信号牢牢地置于无线电频带中。而宇宙中的许多其他东西——超新星、银河磁场、卫星——在相同频率下发出的声音相当大,掩盖了宇宙早期微弱的信号。地球上有几个任务试图找到那个有趣的宇宙黎明信号,从现在的不和谐的声音中挖掘出它的原始耳语,揭示第一批恒星的诞生,但现在,我们只能等着。

  博科园-科学科普|文:Paul Sutter/Space

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