大科技杂志社官方网站

新浪微薄腾讯微薄

最新碎语:想象力比知识更重要

您的位置:大科技杂志社官方网站 >科学之谜> 当宇宙的第一缕星光冲破黑暗后发生了什么?

当宇宙的第一缕星光冲破黑暗后发生了什么?

天文学家发现了宇宙第一批恒星诞生时留下的痕迹,但却带来了更多谜团。

在侦破案件时,侦探并不总是能得到嫌疑犯的录像或照片。相反,他们必须煞费苦心地寻找那些容易被忽视的小线索,比如指纹。

就像侦探一样,天文学家也常常不能在破解谜团的时候,得到所需要的照片。多数时候,他们必须通过仔细在天空中搜寻线索,来拼凑出细微的证据。其中,一个困扰天文学家多年的宇宙学案件,就是宇宙中第一批恒星是何时诞生的。

最近,美国亚利桑那州立大学的贾德·鲍曼领导的一个研究小组宣布,他们终于侦破了这个案件。他们利用设置在澳大利亚沙漠中的一个餐桌大小的射电天线,发现了宇宙第一批恒星留下的微弱“指纹”,并推算出了这批恒星诞生的大致时间——大爆炸后的1.8亿年。

那么,他们是如何破案的?

被氢气吸收的背景辐射

大爆炸发生之后不久,在第一批恒星被点燃之前,宇宙是一个非常黑暗和寒冷的地方。没有星系,没有超新星,也没有类星体。此时的宇宙基本上是由大量的中性氢气组成的,它们漂浮在大爆炸留下的余热——宇宙微波背景辐射——之中。随着时间的推移,引力慢慢地将氢气最密集的区域汇聚成致密的星云。最终,这些致密的星云坍缩形成了第一批恒星,并开始发光。这个时刻被称为宇宙的黎明。

第一批恒星发出的光到现在已变得十分暗淡,人类建造的任何天文望远镜都无法观测到。不过,当它们开始在漆黑的太空中发光时,产生的紫外线会影响星际空间中氢气的属性,使得这些氢气有了一项新本领:它们能从宇宙微波背景辐射中吸收频率约为1420兆赫兹的光子。这些被吸收的光子对应的波长约为21厘米。只要能找到氢气留下的这种吸收信号,即能检测到宇宙微波背景辐射在这个频率下的强度出现了明显的降低,那么就找到了第一批恒星留下的“指纹”。

不过,随着宇宙的膨胀,背景辐射中光子的波长会随着时间被拉长,其频率会随之降低。同样,氢气在背景辐射上留下的吸收信号,其波长也会随着时间被拉长,频率会降低。天文学家可以通过频率降低了多少,来推测出信号诞生的时间,从而也就知道了第一批恒星诞生的时间。

为了寻找这一信号,鲍曼的研究小组在澳大利亚一处沙漠中设置了一个射电天线。与其他庞大的天文学设备不同,他们的射电天线只有一张餐桌大小。因为我们的银河系和人类都会产生很多与信号频率相同的无线电波,这意味着他们必须仔细过滤掉这些强大的干扰。经过十多年的观测和分析,研究小组在2018年2月对外宣布,他们找到了氢气在背景辐射上留下的吸收信号,其频率约为78兆赫兹,对应的波长约为385厘米,并推算出了第一批恒星诞生的大致时间——大爆炸之后的1.8亿年,这比之前天文学家估计的早了很多。

暗物质在搞鬼?

不过,他们的发现却引出了一个大问题。他们检测到的宇宙微波背景辐射在对应的频率下,其强度虽然只减弱了0.1%,但却是原来预期的两倍多。为此,研究小组花了两年时间来检验这个观测结果是否是天线本身或外界的干扰导致的。他们甚至建造了第二个天线,并在不同的时间将天线对准天空不同的区域。他们把各个干扰因素都排除掉了,其结果仍然不变。他们认为,这个观测结果应该是正确的。

为什么下降幅度这么大?以色列的暗物质专家勒南·巴卡纳推测,这是因为第一批恒星周围的氢气比预计的更冷,它们能吸收更多背景辐射。巴卡纳认为,唯一能使得氢气变得更冷的东西,就是暗物质。

我们能看到的所有东西,包括恒星、树木、楼房和我们自身,都属于常规物质。据天文学家的测定,整个宇宙的构成中,常规物质只占了4.9%,而暗物质占了26.8%,剩下的68.3%则是暗能量。暗物质既不吸收光线,也不发射光线,我们无法直接看见它们。目前,我们只能通过它们对常规物质的引力作用来间接找到它们。巴卡纳认为,暗物质从氢气中吸收了一些热量,使氢气处于较低的温度下。如果巴卡纳的观点是正确的,那么这将是第一个不是通过引力作用找到的暗物质存在的证据。

但是,如果暗物质真的能对氢气起到降温作用,那么这将挑战我们之前对暗物质的认知。之前,粒子物理学家推测,暗物质可能是由一种质量较大的粒子构成的,而且不带任何电荷,这就导致了它与常规物质的相互作用过于微弱,无法直接观测到。其中,所谓的“大质量弱相互作用粒子”成为了最热门的候选者,它是一种假想的大质量粒子,只通过弱相互作用和引力产生作用。近年来,研究人员正不遗余力地寻找这种暗物质粒子。研究人员在南极的冰层下、在被废弃的矿井深处、在国际空间站上进行了很多实验,也使用了粒子加速器来进行搜寻,但全都一无所获。

但根据巴卡纳的观点,暗物质必须能与常规物质进行足够强的相互作用,才能吸收一些热量,这意味着暗物质应该是由更轻的粒子组成的,并带有微小的电荷。一些天文学家认为,这次发现可能会带来两个诺贝尔奖,一个是关于第一批恒星的发现,一个是关于对暗物质的新认识。

但要完全把大质量的暗物质粒子从候选者中排除掉,可能还为时过早。一些天文学家认为,如果暗物质完全是由轻粒子构成的,或者它们携带电荷,那么我们早就能观测到它们与常规物质之间的相互作用,这与我们目前的观测结果是矛盾的。一种化解矛盾的途径是,可以假设大约2%到30%的暗物质是由轻粒子构成的,剩下的暗物质仍是由大质量粒子构成的,并且任何一个暗物质轻粒子携带的电荷应该不大于一个电子电荷的十万分之一。

也许是引力理论或黑洞导致的?

美国天文学家斯泰西·麦高认为,吸收信号过强跟暗物质没有关系。麦高一直在研究替代暗物质的理论,认为宇宙中并不存在暗物质,而是我们关于引力的理论出了问题。麦高认为,没有暗物质,宇宙会膨胀得更快,第一批恒星与恒星之间的空间会更大,这意味着恒星之间的氢气会更多,因此氢气吸收的背景辐射会比预期的要多。

还有另一种方法可以解释过强的吸收信号,而不需要引用新的暗物质粒子或修改引力理论。美国天文学家吉尔·霍尔德认为,在第一批恒星诞生的时候,宇宙中还出现了额外的辐射,氢气也会吸收额外辐射中的21厘米光子,而当前的检测结果并没有把这种额外辐射排除出去,这有可能导致了吸收信号的增强。但这个观点得解释额外辐射的来源。霍尔德认为,额外辐射可能是原初黑洞吞噬周围物质时产生的。原初黑洞是一种假想的黑洞类型,它们是大爆炸之后的瞬间由超高密度物体坍缩形成的。

不管怎样,非凡的主张需要强有力的证据。毕竟,为了检测到这个吸收信号,研究小组需要仔细剔除很多强大的干扰。例如,在78兆赫兹波段,我们的银河系发出的无线电波比所要检测的宇宙微波背景辐射强了1万多倍。也许,在剔除干扰的过程中出现了差错,导致了结果的异常。所以,现在天文学家首要的任务是进一步核实这个观测结果。

那么,第一缕星光冲破黑暗的同时,是否还能给我们带来全新的宇宙学?让我们拭目以待吧。

---

转载请注明本文标题和链接:《当宇宙的第一缕星光冲破黑暗后发生了什么?

分享到:

发表评论

路人甲 表情
Ctrl+Enter快速提交