宇宙黎明究竟結束於何時?

宇宙從誕生至今,經歷了許許多多個階段。如果回溯宇宙歷史,越靠近大爆炸的時刻,我們對宇宙的了解就越有限。

目前普遍認為,在大爆炸後的38萬年裡,宇宙都是熾熱而緻密的電離等離子體。在此之後,宇宙逐漸冷卻,足以讓質子和電子結合,形成中性氫原子。這是一段「黑暗時代」,當時的宇宙沒有任何光源,充斥著中性氣體。

大約一億年後,第一代恆星和星系形成,它們散發出強烈的紫外線,使這些氣體再度變回電離的等離子態。這個過程將電子從質子中分離出來,使它們成為自由粒子。這個時代通常被稱為「宇宙黎明」。

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大爆炸後的38萬年至大約一億年期間,宇宙是完全黑暗的。之後,第一代恆星的出現,散發著耀眼的光芒,開啟了宇宙黎明。(圖/Carnegie Institution for Science, MPIA)

今天,散佈在星系之間的所有氫氣,也就是那些星系際氣體,都已經是完全電離的。但關於這段時期的許多細節仍然是空白,我們甚至不清楚,它究竟發生於何時。

近日,一組科學家團隊在研究了67個類星體的輻射特徵後,將中性氫再電離時代的結束時間確定為大爆炸後約11億年。論文已發表在《皇家天文學會月刊》上。

以類星體作為宇宙探針

來自可觀測宇宙中最古老的恆星和星系的光要經過一百多億年的旅行才能到達地球,我們目前的技術暫時還無法直接觀測到它們,因為它們實在是太微弱了。

為了研究宇宙是何時被完全電離的,科學家只有通過間接的手段。不同研究採用了不同的方法,其中一種是測量中性氫在21釐米光譜線的發射。

氫原子可以在兩個不同能級間轉換(圖/原理)

氫原子可以在兩個不同能級間轉換。(圖/原理)

新團隊則選擇分析了從強背景源收到的光。他們利用了67顆類星體,也就是圍繞著遙遠的活躍星系中心大質量黑洞的明亮的熱氣體盤。觀測這些類星體的高質量光譜,天文學家可以發現光似乎「消失」的圖譜,也就是所謂的吸收線。從光源到望遠鏡的過程中,中性氫吸收了這部分光線

這種方法需要觀測相當於121.6奈米波長的光譜線。這個波長屬於紫外範圍,是最強的氫光譜線。但是,宇宙膨脹會讓類星體的光譜向著更長的波長移動,光走得越遠,波長就越長,換句話說,它就變得越「紅」。因此,觀測到的紫外吸收線的紅移,就能轉化成與地球之間的距離。在這項研究中,當紫外線到達望遠鏡時,這種效應甚至已經將它移到了紅外範圍。

根據中性氫氣和電離氫氣之間的比例,吸收會達到一定的程度。當光所遇到的是一片具有高比例電離氣體的區域時,它便無法有效地吸收紫外輻射。這種特徵正是團隊所尋找的。

來自早期宇宙遙遠類星體的光輝穿過那些在再電離時代被部分電離的氣體,星系之間的中性氫氣會留下吸收特徵。(圖/MPIA graphics depaerment)

類星體的光在它的旅途中會穿過許多不同的氫雲,每一片氫雲都會在紫外範圍內留下它微小的紅移印記。理論上來說,分析每條紅移線的吸收和傳輸變化,就可以得出氫氣完全電離的時間或者距離。

用模型輔助分析

然而,對科學家來說不幸的是,真實的情況要複雜得多。

自從再電離結束後,只有星系際空間是完全電離的。在宇宙中存在著一個連接星系和星系團的部分中性物質構成的網路,被稱為「宇宙網」。宇宙網中的氫氣是中性區域,同樣會在類星體的光中留下它們的痕跡。

為了過濾這些影響,團隊應用了一個物理模型,它重建了在星系際氣體已經被完全電離後所測量到的變化。

當他們將模型與結果進行比較時,發現了一處波長上的偏差,121.6奈米線出現了5.3倍的偏移,相當於宇宙年齡的11億歲

這一轉變所暗示的時間,正是測量的類星體光的變化與來自宇宙網的漲落不一致之時。也就是說,那是中性氫氣一定存在於星系際空間並隨後被電離的最近的時期。那就是「宇宙黎明」的結束。

光明的未來

先前許多人推測,再電離時代結束於大約宇宙9億歲時,但這項研究告訴我們,這個過程結束得似乎要更晚一些。好訊息是,它結束於一個更容易被當代觀測設施發現的宇宙時代。

雖然相對於宇宙138億年的歷史而言,這種時間修正顯得微不足道,但對於早期的宇宙演化來說,幾億年的差距可能就會帶來電離源性質和壽命的不同。

這個新的資料集提供了一個重要基準,在未來的研究中,宇宙最初十億年的數值模擬將在這個基準上得到檢驗。這也能更好地幫助科學家確定電離源,也就是第一代恆星的特徵。

#創作團隊:

撰文:Gaviota

排版:雯雯

#參考來源:

https://www.mpia.de/news/science/2022-10-cosmicdawn

#圖片來源:

封面圖:Carnegie Institution for Science / MPIA (annotations)

首圖:MPIA graphics department

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