第一道星光划破黑暗时代

在大霹雳放出光亮后不久,所有的光消散了,宇宙陷入黑暗之中。约10亿年后,宇宙重现光明;天文学家正致力解开其中的秘密。

撰文/雷蒙尼克(Michael D. Lemonick)
翻译/李沃龙

重点提要 
■宇宙的第一代恒星与星系完全不像我们今天所见的天体,天文学家企图「回溯时光」,研究宇宙最早天体的起源。 
■「再游离化」是指光游离了当时弥漫在宇宙里的中性氢,天文学家对于再游离化的原因特别感兴趣。 
■观测数据与电脑模拟显示,具有上百万太阳质量的恒星或能喷出气体的巨大黑洞,可能是推动再游离化的天体。 

大约138亿年前,或更详细地说是在大霹雳后约40万年,宇宙突然陷入无尽的黑暗之中。在那一刻之前,整个宇宙是一团高温、炙热而翻腾不止的电浆──包含质子、中子与电子的致密气体云。假如有人能在当时观察整个宇宙,会发现它看来就像一团灿烂夺目的浓雾。 

大霹雳后38万年,宇宙经历了难以想像的明亮,膨胀中的宇宙持续降温、浓雾消散,直到足以形成氢原子,这个事件称为再复合(recombination)。随后万物遁入黑暗之中,宇宙进入了天文学家所谓的黑暗时代。 

那是名副其实的漫漫长夜。即便第一代恒星开始发光,它们最耀眼的光其波长全都落在光谱的紫外线波段,那正是刚形成的氢气最容易吸收的光。宇宙用它最初高温、绚烂的浓雾,换来一片凄冷的黑雾。 

这片黑雾最后消褪了,但是究竟为何消褪,却是个长期困扰天文学家的问题。这或许是由第一代恒星完成,因为在一个称为「再游离化」(reionization)的过程中,恒星发出的强烈光线缓慢但持续地击破氢原子。此外,再游离化所需的能量,也可能来自高温气体坠入巨大黑洞时产生的辐射。 

毫无疑问地,要明了再游离化何时与如何发生的关键,就是找寻宇宙中最古老的天体,并梳理出它们的来源与本质。第一代恒星何时开始发光?它们的样貌为何?个别恒星是如何聚拢组成星系,并且几乎在每个星系的核心区域都可发现超大质量黑洞,那些星系又是如何形成黑洞?再游离化究竟是在恒星到星系、再到黑洞过程之间的哪个时刻发生?而这个过程是逐步或瞬间达成? 

自1960年代起,天文物理学家便开始思考这类问题。但直到最近,天文望远镜与电脑模型的功能大增,才足以提供部份解答:后者模拟宇宙第一代恒星的出现与演化,而前者则搜集大霹雳后五亿年内的微弱星光证据,那个时段正是第一代星系的襁褓期。 

点燃巨星

大约10多年前,天文学家相信他们已充份理解第一代恒星的起源。再复合结束后,充斥在宇宙中的氢原子随即均匀散布至广大的空间中。另一方面,暗物质早已开始汇聚,形成平均质量介于10万~100万太阳质量之间的结构,称为「晕」。这些晕的重力会吸入氢原子。当气体越来越集中,温度也越来越高,最终化为一团烈焰璀璨的火球,就形成了宇宙第一代恒星。

原则上,这些天文学家称为第三族恒星(PopulationIII star)的第一代恒星,应该能破除氢气的遮蔽而使宇宙再游离化,但这其实取决于这些恒星的本质。假如它们不够明亮或活得不够久,就无法顺利达成这个过程。

这些恒星的本质与体型息息相关。10多年前,天文学家普遍认为它们都是体型巨大的恒星,每颗恒星的质量约是太阳的100倍以上(参见42页〈宇宙的年轻巨星〉)。这是因为当一团气体云受到重力而塌缩时,温度会升高,高温产生的辐射压力能抵抗重力;除非恒星能排出这些热能,否则将会严重阻碍气体云的塌缩。

第一代恒星主要由氢构成,这种元素的散热能力相当差。(像我们太阳这种恒星,具有诸如氧与碳这类微量但极重要的元素,可帮助它们冷却。)结果使得早期宇宙中的原恒星会持续累积氢气,但恒星内部的高压阻挠它形成致密核心,以至于无法启动核融合反应,来把周遭的气体送回太空。于是恒星便继续吞食越来越多的气体,直到建构出一个松散的大质量核心为止。

2014年在美国哈佛大学担任博士后研究员的葛瑞福(Thomas Greif)表示:「但现在看起来,事情有些复杂。」这些最新的电脑模型不仅包含重力,也包括了一套方程式,可用来描述气体塌缩时不断增压的氢气所产生的效应。模拟结果显示,塌缩的氢气云可形成许多不同结果:在某些状况下,可形成上百万太阳质量的第一代恒星;在其他状况下,则碎裂成许多只具有数十太阳质量的恒星。

这些巨大体型的差异意味第一代恒星的寿命长短范围相对大,因此也影响了再游离化的发生时机。具有100太阳质量以上的巨大恒星,是天文学上放荡不羁的摇滚巨星:它们的生活节奏快速而寿命短暂。较小的恒星消耗核燃料的速率较慢,如果恒星真的是造成再游离化的原因,代表整个过程将十分漫长、延续好几亿年。

黑洞之光

无论这些恒星的体型多大,它们在塌缩成黑洞前,都会化为超新星、壮烈结束生命。而这些黑洞或许比其前身恒星,更适合推动再游离化的形成。

黑洞贪婪地吞食周遭的气体,当气体坠入时,会受到强力挤压而使温度陡然升高到好几百万度。虽然这些炙热无比的气体最终大多坠入黑洞而消失,但有些会以喷流型态返回太空。这些喷流极为明亮,即使相隔半个宇宙都还能看见它们发出的光,我们把这些灯塔般的天体称为类星体(quasar)。

1960~1990年代,类星体是唯一可用来探索早期宇宙的工具。起初,天文学家对于这种天体毫无头绪。类星体就像是附近的一颗恒星,但具有巨大的红移──它们发出的光因宇宙膨胀而变红。那令人印象深刻的红移显示,类星体比任何恒星与我们之间的距离遥远许多,也比那些恒星明亮许多。天文学家找到的第一个类星体是3C 273,它的红移是0.16,经过换算,显示它的光从20亿年前便已出发旅行了。

普林斯顿大学的天文物理学家史特劳斯(MichaelA. Strauss)说:「没隔多久,人们很快便发现了红移2的类星体。」显示它的光已旅行长达100亿年以上。1991年,施密特(Maarten Schmidt)、甘恩(James E.Gunn)与史奈德(Donald P. Schneider)在美国加州帕洛玛天文台合作,发现了一颗红移4.9的类星体,这可追溯至125亿年前,或大霹雳后约10亿年。

不过在分析这颗红移4.9的类星体数据后,却没发现任何证据显示中性氢吸收掉它的光。显然宇宙在这个类星体的光抵达地球之前,便已完全再游离化。

整个1990年代期间,未曾有人成功发现更遥远的类星体,这并非是欠缺威力强大的观测工具所致。早在1990年代前期,哈伯太空望远镜(Hubble SpaceTelescope)与位在夏威夷茂纳开亚火山上的凯克望远镜(Keck telescope)便已开始运作,显著提升了天文学家探索太空的能力。反而是因为类星体实在太稀有了,它只会由最重的超大质量黑洞爆发形成。而且从我们的位置看来,除非它的喷流恰好直接正对着我们,否则根本看不到它耀眼的光。

此外,只有当黑洞活跃、可吞食气体时,这些喷流才能存在。对大多数黑洞而言,这类活动的高峰期发生在红移2~3,这个时期的星系平均而言具有比今天更多的气体。如果观测超过这个距离,类星体的数量将迅速降低。

直到2000年时,史隆数位巡天计画(SDSS)利用当时所能建造出最大的数位侦测器,有条不紊地搜寻一大片天空,才打破这项纪录。加州理工学院的天文学家艾里斯(Richard Ellis)表示:「SDSS非常成功地找到许多类星体,红移超过5.5就有40或50颗类星体。」


上述信息转自科学人杂志http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=2418



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