宇宙曾經(jīng)在數(shù)億年的時間里一片黑暗，而一種原子可能就是開啟這個被遺忘時代的鑰匙。很久以前，在第一顆恒星形成之前的幾百萬年里，整個宇宙一片黑暗。這段宇宙“黑暗時代”從大爆炸后約40萬年開始，持續(xù)了數(shù)億年，標志著最近一次真正的真空；宇宙中沒有行星，沒有恒星，沒有星系也沒有生命，只有一團由大爆炸形成的氫原子組成的霧，在無盡的黑暗中飄蕩。
今天，世界各地的望遠鏡都在試圖一窺這些原始的氫（被稱為中性氫原子），以確定黑暗時代最終結(jié)束，以及第一個星系形成的時刻。雖然這些古老的原子非常難以捉摸，但在澳大利亞內(nèi)陸進行觀測的一組研究人員可能已經(jīng)十分接近找到它們。
根據(jù)發(fā)表在預(yù)印本數(shù)據(jù)庫arXiv上的一項新研究，天文學家使用默奇森廣域陣列（Murchison Widefield Array，簡稱MWA）射電望遠鏡深入觀察宇宙的過去，搜尋中性氫的標志性波長。這項研究的結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在近期的《天體物理學雜志》（Astrophysical Journal）上。遺憾的是，研究人員沒有找到想要找的東西，但利用望遠鏡陣列最近更新的設(shè)置，研究小組確定了中性氫信號強度的最低限度。
研究報告的合著者、美國布朗大學物理學助理教授喬納森·蒲柏（Jonathan Pober）說：“我們可以有把握地說，如果中性氫信號比我們在論文中設(shè)定的極限更強，那望遠鏡就會探測到它們?！边@意味著尋找這些古老分子的工作仍在繼續(xù)，而研究人員現(xiàn)在知道，中性氫的痕跡其實比預(yù)期的更加模糊。
第一個原子
貫穿早期宇宙的能量是如此之強，以至于每個原子的電子都被奪走，從而獲得一個正電荷。第一個原子是帶正電荷的氫離子。在數(shù)十萬年的時間里，宇宙冷卻并膨脹到足以讓這些氫離子重新獲得電子，再次變成中性。這些中性的氫原子被認為是宇宙黑暗時代的主要特征。最終，當足夠多的原子聚集在一起，形成第一批恒星時，這些原子又會被這些恒星的輻射能量重新電離。
科學家已經(jīng)知道，中性氫發(fā)出的輻射波長為21厘米。然而，隨著宇宙在過去的120億年里不斷膨脹，這些波長也被拉長了。據(jù)這項新研究的作者估計，中性氫的波長已經(jīng)延伸到大約2米，而他們正是利用WMA望遠鏡在天空中搜索這一信號。
問題是，有許多光源（包括人造的和天然的）都以相同的波長輻射。“所有這些其他光源都比我們試圖探測的信號強很多個數(shù)量級，”蒲柏說，“即使是從一架恰好經(jīng)過望遠鏡上方的飛機反射回來的調(diào)頻無線電信號，也足以污染數(shù)據(jù)?！?/p>
因此，蒲柏和同事們寫了一組方程，以在觀察結(jié)果中識別并去除這些干擾。在拍攝了1200多張?zhí)炜盏臒o線電波快照后，研究人員確定，他們發(fā)現(xiàn)的每一個2米波長的痕跡信號都來自于中性氫以外的其他來源。
雖然最重要的中性氫原子信號仍未被發(fā)現(xiàn)，但這項新研究成功縮小了未來尋找中性氫的范圍。研究人員稱，這些結(jié)果有力地表明，MWA望遠鏡的觀測正引導我們沿著正確的道路尋找中性氫。隨著進一步的研究，宇宙黑暗時代的最后遺跡可能很快就會被發(fā)現(xiàn)。
什么是宇宙的“黑暗時期”？
宇宙演化歷史中的“黑暗時期”指的是大爆炸結(jié)束時的等離子體復合到第一代恒星開始形成的使其。此前的宇宙中充滿高能量的光子，導致宇宙中的普通物質(zhì)（主要是氫和氦）處于電離狀態(tài)。大爆炸后約40萬年時，隨著宇宙膨脹，這些光子的能量不足以再電離氫和氦，于是自由電子與氫、氦原子構(gòu)成中性原子。
隨著自由電子消失，光子可以自由傳播，不再發(fā)生散射，從而使宇宙變得透明。這些光子最終紅移至微波波段，形成今天我們所觀測到的宇宙微波背景輻射。此時的宇宙十分均勻，沒有恒星，除了氫、氦和少量在大爆炸核合成時期產(chǎn)生的輕核如氘、氦-3、鋰之外也沒有其他元素，因此被稱為黑暗時期。
目前，現(xiàn)有的天文觀測可以看到黑暗時期之前的宇宙，即宇宙微波背景輻射；也能夠看到黑暗時期之后的宇宙，包括恒星、星系、類星體等，但仍然無法觀測到黑暗時期的宇宙。了解并觀測這段時期發(fā)生的物理過程是天文學中非常重要的科學問題。
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