当宇宙失明时：第一颗恒星之前的漫漫长夜

什么是宇宙的黑暗时代？

宇宙黑暗的时期

在大爆炸 (描述宇宙起源于极热致密状态的宇宙学模型)之后， 宇宙经历了一段被称为黑暗时代的特殊时期。 这个时代大约介于大爆炸后38万年到4亿年之间， 即大约138亿年到134亿年前。 在这漫长的宇宙之夜，还没有恒星、星系或可见光光源。 宇宙几乎完全陷入黑暗，只有广袤的中性氢和氦的迷雾。

对现代宇宙学的挑战

“黑暗”一词不仅指可见光的缺失：它也反映了这个时代 对我们观测仪器的不透明性。 理解这4亿年间发生了什么构成了现代宇宙学的主要挑战之一。 这个时期留下了什么见证者？ 天体物理学家如何探测这种原始的黑暗？

背景：从复合到恒星的寂静

复合：宇宙的转折点

大爆炸后约38万年，发生了一个奠基性事件： 复合 (质子和电子结合形成第一批中性氢原子的过程)。 在此之前，宇宙如此炽热和致密，物质以等离子体形式存在： 电子和质子自由移动，使空间对光子不透明。 当温度降至3,000开尔文以下时，电子被质子捕获， 形成中性氢原子。 宇宙突然变得透明，光子可以在空间中自由传播。

宇宙微波背景辐射：化石记忆

复合期间释放的这种辐射今天可以被探测到，称为 宇宙微波背景辐射 (大爆炸的残余电磁辐射，在微波波段以2.725K的温度可观测)。 COBE（1992年）、WMAP（2001-2010年）以及尤其是 普朗克（2009-2013年）卫星对其的测绘，使得以前所未有的精度重建 这个原始时代宇宙的状态成为可能。 但在这最初的光明瞬间之后，宇宙陷入了沉默和黑暗。

无恒星的宇宙：黑暗时代的物理学

结构的缓慢增长

复合之后，重子物质（中性氢和氦）开始在 宇宙微波背景辐射揭示的微小过密度区域中，在引力的作用下聚集。 这些相对于平均密度约为 \(10^{-5}\) 量级的密度涨落， 构成了未来宇宙结构（纤维状结构、星系团和星系）的种子。

对核聚变的等待

然而，这种引力凝聚过程极其缓慢。 这些气体云需要数亿年才能达到足够的密度和温度，以启动 核聚变 (轻原子核融合形成较重原子核并释放能量的核反应) 并诞生第一批恒星。 在这整个时间里，宇宙一直处于黑暗之中。

该时期的关键参数

这个时期的物理学由几个关键参数控制。 宇宙气体的温度按照 \(T \propto (1+z)\) 的关系下降， 其中 \(z\) 表示宇宙学红移 (由于宇宙膨胀导致的光谱红移，用作距离和宇宙时间的度量)。 与此同时， 暗物质 (既不发射也不吸收光，但其存在通过引力效应被探测到的物质) 发挥着重要的结构形成作用：其引力晕提供了势阱， 重子物质在其中坍缩形成第一批结构。

第一批恒星：黑暗的终结

第三星族恒星

第一批恒星，称为第三星族恒星，在大爆炸后1亿到2亿年就形成了，标志着黑暗时代终结的开始。 它们的紫外线辐射逐渐开始电离周围的中性氢，启动了再电离过程，一直持续到大爆炸后约10亿年。 这些原始恒星可能非常巨大，约为太阳质量的100到1000倍， 因为原始气体中缺乏金属（比氦重的元素），阻止了低质量恒星形成所需的有效冷却。

第一代恒星的理论模型

福尔克尔·布罗姆（生于1972年）和理查德·拉森（1937-2024年）的理论工作 极大地促进了对暗物质晕中这些第一批恒星形成的建模。 这些恒星发射出强烈的紫外线辐射，能够电离周围的中性氢，触发了一个基本过程： 再电离 (第一批恒星和星系的辐射使宇宙中性氢再电离的宇宙学过程)。

再电离：黑暗时代的正式结束

再电离正式构成了黑暗时代的终结。 它在大爆炸后约1.5亿年到10亿年之间逐步发生。 第一批光源周围的电离氢气泡不断增长并融合，直到整个宇宙都被再电离，再次对紫外线光子变得透明。

看不见的宇宙的见证者

中性氢的21厘米信号

如何探测一个本身定义就是黑暗的时代？ 天体物理学家拥有几种间接示踪剂，它们构成了通向黑暗时代的众多窗口。

第一个也是最直接的是中性氢的21厘米信号 (中性氢在其电子自旋翻转时发射的21厘米射电信号)。 当氢原子的电子相对于质子翻转其自旋时，它会发射波长为21厘米的光子。 这个信号被宇宙膨胀红移后，原则上可以揭示黑暗时代中性氢的分布。 HERA（氢再电离时代阵列）射电望远镜和未来的SKA（平方公里阵列）等仪器是专门为探测这个信号而设计的。

伽马射线暴：宇宙灯塔

第二个窗口由 遥远伽马射线暴 (来自遥远星系的极其强烈而短暂的光暴，与大质量恒星的坍缩有关)（GRB）提供。 其中一些事件在红移大于6时被探测到，使得探测其光所穿过的星系际气体的组成和电离状态成为可能。 它们充当宇宙灯塔，短暂地照亮黑暗时代。

詹姆斯·韦伯望远镜：直接的窗口

最后，自2022年起运行的詹姆斯·韦伯太空望远镜，通过直接探测到有史以来观测到的一些最古老的星系，开辟了第三条道路，其中一些星系在大爆炸后不到3亿年就形成了。 这些直接观测使得以前所未有的精度约束第一批结构的形成和再电离模型成为可能。

黑暗时代与再电离年表

此表总结了从复合到再电离结束的宇宙演化的主要阶段，以及相关的红移、关键事件、可观测见证者和用于探测该时期的仪器。

备注 :
所示红移值来自标准宇宙学模型（\(\Lambda\)CDM）的估计。 最初数亿年的不确定性仍然很大，在这些极端红移下的直接观测仍然处于当前仪器能力的边缘。 年龄与红移的对应关系取决于所采用的宇宙学参数，特别是哈勃常数 \(H_0\)。 在 z ~ 100 附近，化石辐射通过向红外和微波波段移动而离开可见光波段：宇宙随后进入完全黑暗，将持续到第一批恒星的点燃。

暗物质：黑暗时代的隐形建筑师

无声组织的时期

尽管黑暗时代按定义缺乏可见光， 但它们并非宇宙不活动的时期。 占宇宙能量密度约27%的暗物质， 继续默默地组织着宇宙结构。

晕的等级式增长

根据结构的等级式形成模型， 首先形成小的暗物质晕， 然后逐渐合并形成越来越大的结构。 这个被称为等级式增长 (通过暗物质晕的吸积和连续合并形成大尺度宇宙结构，从小到大)的过程 完全由引力驱动，没有任何光发射。

宇宙学模拟

大规模宇宙学模拟，如由福尔克尔·斯普林格尔（生于1970年）及其合作者领导的 千年模拟项目， 或IllustrisTNG项目，表明 宇宙网 (在可观测宇宙尺度上连接星系团的暗物质和气体纤维网络)的纤维和节点 在黑暗时代已经在组织过程中。 这些结构构成了看不见的骨架，在很久以后， 我们今天观测到的广阔星系网络将建立在这个骨架上。

21厘米信号：观测的下一个前沿

21厘米信号的观测挑战

直接探测中性氢的21厘米信号今天代表了 宇宙学中最雄心勃勃的观测挑战。 2018年，EDGES合作项目（探测再电离全球特征实验） 宣布探测到一个21厘米信号，其振幅是理论预测的两倍， 中心频率为78 MHz，对应红移 \(z \approx 17\)， 即大爆炸后约1.8亿年。

EDGES争议

这一异常在科学界引发了激烈争议。 包括雷南·巴尔卡纳（生于1972年）在内的一些理论家 提出，这种过量可能暗示暗物质与重子之间的相互作用， 这将构成暗物质的第一个直接观测特征。 其他研究人员将异常归因于仪器效应或银河前景扣除不当。 这个问题仍然悬而未决，并且是实验和理论研究的焦点。

未来的平方公里阵列

无论这场辩论的结果如何，黑暗时代中性氢的三维测绘代表了未来几十年首要的科学目标。 未来的平方公里阵列（SKA），其首批科学观测预计在2030年左右，正是为应对这一挑战而设计的。

宇宙历史背景中的黑暗时代

时间视角

黑暗时代是宇宙年表的一部分，使我们能够衡量它们在宇宙历史中的位置。 如果我们将宇宙的138亿年压缩到一个日历年，黑暗时代从1月1日延伸到2月初。 太阳和太阳系直到9月才出现，人类在12月31日的最后几秒钟出现。 这一视角强调了黑暗时代如何构成宇宙历史的基本篇章。

冈恩-彼得森效应：观测确认

詹姆斯·冈恩（生于1938年）和布鲁斯·彼得森（生于1942年）早在1965年就预测，如果星系际氢是中性的，遥远类星体的光谱应该在紫外波段显示出完全吸收：这就是所谓的冈恩-彼得森效应。 2001年罗伯特·贝克尔及其合作者在斯隆数字巡天数据中，对 \(z \approx 6.3\) 的类星体的探测，直接观测证实了再电离在那个时代已经完成。

走向黑暗时代的宇宙学

基本问题

对黑暗时代的理解与对暗物质和暗能量本质的理解密不可分，它们是宇宙的两个主要组成部分。 暗物质晕是如何形成的？ 第一批恒星的最小质量是多少？ 再电离的精确年表是怎样的？ 这些问题部分仍未解决，并且是活跃的研究方向。

詹姆斯·韦伯望远镜的惊喜

詹姆斯·韦伯太空望远镜远未结束辩论，而是重新开启了黑暗时代的问题：通过探测到太亮、太早的星系，它表明宇宙黎明比我们模型所预想的更早、更动荡。