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21厘米氢线?科学家捕捉到宇宙“第一缕曙光”

2018-03-10 13:39外星探索
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   爆炸之初,物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀,导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却,逐步形成原子、原子核、分子,并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,最终形成我们如今所看到的宇宙。

  氢原子即氢元素的原子。氢原子模型是电中性的原子含有一个正价的质子与一个负价的电子,他们被库仑定律束缚于原子核。氢原子是丰度最高的同位素。

 天文学家探测到了宇宙再电离阶段氢原子发出的21cm射电信号。

宇宙中第一颗恒星的艺术图。绘图:N.R. Fuller,美国国家科学基金会

在最新的《自然》期刊中,美国科学家成功捕捉到了再电离时期的21厘米中性氢原子信号,探测到了宇宙的“第一缕曙光”。这意味着天文学对宇宙“黑暗时代”的研究,翻开了一个新的篇章。而他们发现信号中的异常之处,还可能有助于科学家分析暗物质的性质。

现在,尽管还有些关键问题没有答案,但如果说我们对宇宙已经有了相当的了解,也不算夸大其辞。我们知道宇宙源于大爆炸,知道如今宇宙中的物质结成了星系和星系团等结构,甚至也知道最初均匀分布的物质是怎样演化成这样的结构的,还知道在这背后有暗物质和暗能量在发挥作用(遗憾的是,这两者到底是什么仍是未解之谜)。

这样的光辉成就,在很大程度上得益于天文观测手段的进步。越来越强大的望远镜让天文学家在空间上观察到了更加遥远的天体,在时间上追溯回更深远的过去。例如,哈勃望远镜已经观测距离我们320亿光年的星系,它存在于约134亿年前,宇宙诞生4亿年后。此外,通过源于大爆炸后仅38万年的微波背景辐射,天文学家甚至还可以窥探到更早期的宇宙。不过,在最遥远、最古老的星系,与微波背景辐射之间,存在一个天文观测一度无法触及的空白区域。而这个空白阶段,又是天文学家非常感兴趣,对了解宇宙演化全过程非常关键的阶段。

宇宙演化的时间线。该研究确认,最早的恒星诞生时间不晚于大爆炸后1.8亿年。绘图:N.R. Fuller,美国国家科学基金会

宇宙的黑暗时代

在大爆炸中诞生的宇宙温度曾非常高,光子不断与电子碰撞,使其无法和原子核稳定结合,此时的宇宙是一团原子核、电子和光子混杂在一起的浓汤,是完全不透明的。而宇宙随着膨胀而不断冷却,当温度降低到原子核可以与电子结合为稳定的原子,光子中解放出来,成为了微波背景辐射,宇宙也变得透明了。在这之后,宇宙中只有氢原子(还有一些氦原子)组成的气体,温度也已经冷却得非常低。在整个宇宙中,一丝可见光都没有,因此天文学家把这个阶段称为“宇宙的黑暗时代”。

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