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曾经的黑暗时期
透过天文望远镜,我们可以看到遥远的太空中有着数不尽的恒星和星系.之所以能看见那么远,一个重要因素是星际介质是透明的.星际介质是恒星之间的气体云和微小固态粒子,但绝大部分是气体氢.
但在早期的宇宙中,星际介质并不总是透明的.
在宇宙大爆炸初期,宇宙中的物质都处于一个高温高密的等离子体状态,但随着宇宙的膨胀,物质会不断冷却.大约在宇宙大爆炸之后的38万年,宇宙中的物质最终冷却下来,电子开始与质子结合起来,形成电中性的氢原子.这个过程被称之为复合.不过此时星际介质中的中性氢却会吸收周围大部分光子,使得光无法在星际介质中穿行,宇宙变得不透明.再加上没有新的光源,宇宙进入了黑暗时期.
但在几亿年之后,一种新的光源出现了.这些新产生的光子有足够高的能量剥离星际介质中氢原子的电子,使它们处于电离状态.电离的氢就无法困住光子了,于是光就能很容易地穿过星际介质.这个过程叫做再电离过程.再电离完成时,星际介质再次变成全透明.今天的宇宙中,星系介质里的氢大多是高度电离的.
那么,引发再电离的光来自哪里呢？天文学家发现,解决这个问题不仅能帮助我们了解宇宙第一代恒星和星系是怎么产生和灭亡的,还能解释早期宇宙是什么样的结构,甚至还能对我们解决宇宙其他的谜团,比如暗物质是什么等问题有所帮助.
引发再电离的光源
当前的研究表明,引发再电离的大多数光子,来自于宇宙的第一代恒星和星系.第一代恒星和星系产生的高能光子,会使得星系周围比较稀薄的氢电离.随着星系的不断形成,电离区域逐渐扩大.当电离区域覆盖整个宇宙中的星际介质时,再电离过程就完成了.不过,一些天文学家认为,第一批形成的恒星和星系虽然可以引发再电离,但它们产生的光子可能不太多,可能还有其他的来源.
其他的来源有一种可能是活动星系核引发的.活动星系核就是一种活动性很强的星系核心,那里有着超大质量黑洞,物质落入黑洞的过程中,会产生X射线和紫外线.类星体其实就是一种活动星系核.然而,天文学家并不知道早期的宇宙有多少活动星系核,
更不知道它们对再电离的过程贡献了多少.
另一个更奇异的可能来源是暗物质湮灭.某些暗物质的理论认为,暗物质粒子可以相互碰撞,湮灭并产生高能光子.如果通过研究再电离的过程,能找到暗物质湮灭的证据,将是一个大惊喜.因为通过这种研究,天文学家还能分析出许多关于暗物质的性质.
探索宇宙的黎明
为了搞清究竟是哪些光源引发了宇宙的再电离,天文学家正利用各种天文望远镜,来调查那个时期的宇宙.
虽然宇宙第一代恒星和星系是最有可能的来源,但到目前为止,天文学家们还没有能观测到它们.天文学家希望,在2018年10月发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜可以有机会找到它们.
天文学家还可以通过研究宇宙微波背景辐射,来分析再电离.当一个氢原子被电离时,释放出的电子会扰乱周围的宇宙微波背景辐射.天文学家可以用此信息来确定电离发生的情况,还能分析出产生这些电离需要多少光子.
欧洲航天局的普朗克卫星是一颗观测宇宙微波背景辐射的卫星.天文学家根据最新公布的数据发现,绝大多数电离可能就是第一代恒星和星系完成的.但完全排除其他种类的来源还为时过早,因为天文学家仍需要更多更准确的数据.
最有说服力的观测数据将会来自“21厘米宇宙学”,即研究波长为21厘米的无线电波的学科.中性的氢原子可以产生这种无线电波,但电离的氢原子却不会.通过观测来自遥远深空的21厘米无线电波,天文学家就能直接测量到那里有多少中性氢,并推导出有多少电离氢,这就可以创建一个电离氢在早期宇宙的分布图.
有了分布图,问题就好解决了.如果第一代恒星和星系是主要来源,那么早期宇宙中大部分的电离氢应该分布在星系周围.如果暗物质是主要来源,但暗物质哪儿都有,那么早期宇宙各处都会有电离氢.所以说,观测21厘米无线电波能搞清楚来源究竟有哪些.位于南非的在建的“氢原子再电离时期阵列”望远镜,将有能力揭晓这个问题的答案.
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参考文献：
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