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“儿时”的宇宙什么样?

导读:
从现今人类对于宇宙的认识来看,宇宙的起点源于一次大爆炸,并经历了成长的“儿童”时期和星光璀璨的“少年”时期,进而来到了如今相对平静的阶段。然而,就目前我们的技术手段来看,这些模糊的时限远未满足我们对于宇宙形成、演化认识的预期。一些根本的问题仍悬而未解。
本期《天问》专栏,带您一起回顾宇宙演化的各个时期,尝试拨开层层迷雾,一探宇宙形成演化的全景。
 
撰文 | 蔡峥(加州大学圣克鲁兹分校)
责编 | 吕浩然、金庄维
 
无限掌中置,刹那成永恒
 
刹那爆炸的宇宙(图1),在诞生时是炽热且致密的。质子、电子等基本粒子形成一锅“滚烫的汤”。随着宇宙的膨胀,这锅汤逐渐变冷。到了大爆炸后38万年,电子被质子俘获,形成稳定的中性氢原子,多余的能量则转化成紫外光。这些紫外光又在漫长的宇宙膨胀中,逐渐被拉长到微波波段,成为今天我们观测到的宇宙微波背景辐射。
 
这时的宇宙处于黑暗时代,其中没有一丝星光。物质却摸着黑开始了“城镇化”进程:在引力的作用下,聚集到密度稍高的区域。逐渐地,物质在大尺度上,排列成“纤维网”这种稳定的结构。如果我们将今天的宇宙看成是个百岁老人,那么当时的它就还是几个月的婴儿。这时,宇宙中主导的元素是最基本的中性氢。
 
 
“第一代”星系——宇宙的“儿童”阶段
 
1.第一缕星光从何而来?
 
在宇宙的结构形成中,小结构形成较快,大结构形成较慢。正如某些区域在人口密度高时,自然形成村落一样,随着时间推移,宇宙中逐步形成了小的暗物质晕。一些暗晕中集中了大量原初分子云,在引力的作用下,这些云不堪重负、塌缩发生核反应,点燃了第一代恒星(图2)。第一缕星火迅速燎原,开始电离周围的氢。然而,第一代恒星缺金属、冷却难、温度高、质量大、消耗快,很快以超新星爆炸的形式牺牲,产生出很多生命所需的元素(如碳、氮、氧、铁等)。宇宙中的金属含量也迅速增加。
 
从黑暗时代到第一代恒星形成,期间发生了什么?由于科研经费的限制,我们目前尚无实测的限制,主要依靠理论结合计算机模拟加以了解。这一过程被认为发生在大爆炸后一亿年以内,如果今天的宇宙年龄相当于百岁,当时的宇宙则还是不满一岁的婴儿。未来,利用中性氢的21厘米谱线,结合近中红外波段等观测,人们将有望直接对第一代恒星的形成有一个完整的实测描述。 
 
2.致敬C罗的疑似第一代星系事件
 
就像村落多的地方会形成小县城一样,第一代恒星也会参与组成第一代星系,这些星系体积是银河系的万分之一或更小。2015年,有天文学家宣布在宇宙学红移7(距今130光年远,宇宙学红移值越大,距离越远)的一个星系中发现大量第一代恒星形成的信号。为致敬球衣号码正好是7号的球星C罗,他们将这个星系命名为CR7[1]。
 
但是在去年,日本天文学家对该结果进行了检验,发现其中最关键的氦发射线信号也许在统计上并不成立。这基本宣告了目前仍没有得到对第一代星系的直接认证[2]。但这一事件还是燃起了科学家对第一代星系的广泛讨论,下一代詹姆斯-韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)也将第一代星系列为重要探测目标。
 
 
3.智利亚毫米波望远镜ALMA探测到的最远星光
 
2012年,天文学家根据哈勃望远镜拍摄的图像指出,图3所示星系的光可能是从宇宙早期(大爆炸后约2.5亿年)传来的[3]。最近,利用位于智利的亚毫米波望远镜 ALMA(图4),天文学家成功利用氧发射线,将人类光谱认证了这个星系[4],将人类光谱认证的最远星系记录推到了大爆炸后仅2.5亿年(红移为9,红移与宇宙年龄关系参见图1)。这一发现同时表明,一些人们认为的很早期的星系可能已富含金属元素!
 
 
璀璨星光——“少年”时期的宇宙
 
1.宇宙的大尺度结构形成(繁荣的宇宙城)
 
在大爆炸后十亿年到三十亿年间(宇宙学红移2—5,宇宙进入“少年”时代),宇宙的恒星形成变快,黑洞活动增强,宇宙中的元素也越来越丰富,大尺度结构逐渐形成,并越发清晰地展现出来(如图5、图6)。此时的宇宙最为星光璀璨。 
 
宇宙在大尺度上的结构与我们的城市几乎完美对应:城市之间由道路相连,越宽的高速公路交汇点对应越大的城市。在空间超过几亿光年的大尺度上,星系聚在一起形成“超大城市”(原初星系团)、“超大荒野”(宇宙大空洞)、“道路”(宇宙网、星际介质)。 不同星系在宇宙“城市”间的交流并合也趋于频繁,甚至在道路周围可以直接形成一些“小村落”(小星系)。有意思的是,纤维状宇宙网的形成其实和游泳池“纤维网”等许多生活中的现象有异曲同工之妙(图5,另见Zaldovich的透镜和文献[11])。
 
 
2.环境对星系演化的重要作用
 
随着研究的深入,科学家们意识到:星系与周围环境是一个整体,只计入恒星部分并不能全面理解星系(图6和图7)。星系的暗物质晕以及更大尺度的宇宙网中存在着海量气体——这些气体有的是宇宙网供给星系的,有些是星系反馈给宇宙网的(图8)——它们很大程度地影响着星系、甚至大尺度结构的形成[9]。
 
然而,在目前的探测水平下,对宇宙网的直接观测仍然很难,我们更多地只能通过数值模拟和间接的观测手段了解星际气体(如图6)。不过这一状况在最近得到了改善:科学家找到了远超暗物质晕尺度的超大星云(图7)。这可能是对宇宙网直接成像的早期尝试。未来,在“宇宙网探测器(KCWI)”、“多单元光谱探索者(MUSE)”等新一代成像光谱仪帮助下(图10),我们有望在更大尺度上对宇宙网进行直接成像,揭示更多星系与结构形成之谜。 
 
 
归于宁静——今日的宇宙“黄昏”
 
大爆炸40亿年以后到今天,宇宙开始形成“特大城市群”(几亿光年尺度的宇宙“长城”结构)。但这些特大城市群的星光却没有原来璀璨。原因是很多星系停止了剧烈的恒星形成,颜色开始变得“夕阳红”。星系周围环境被进一步加热,有很多物质在光学波段神秘地消失了(图9)。
 
对此,科学界比较认可的一种理论解释是:这些物质被加热到了之前鲜有探测的紫外和X射线波段(图9)。科学家们也有计划探索这一时期的物理过程:利用更灵敏的高能光子探测手段,把这些“丢失”的物质找回来。
 
在更大的宇宙尺度上,物质密度进一步降低。一种神秘的量子真空能量(暗能量)逐渐占据主导地位,驱动了宇宙加速膨胀。但至于暗能量如何演化,未来宇宙命运如何,一切还尚未得知。 
 
 

拓展
 
突破对早期宇宙的认知
——未来设备和技术
 
· 未来图像巡天将远远超过光谱巡天
 
天文学在下一个十年会进入一个新的黄金时期,国际上规划的新巡天(如LSST, Euclid, SKA等)将使人们在光学、红外、射电探测的深度和广度上,远超当前水平。图像数据量将超过光谱数据量三、四个数量级之多。然而,目前尚无为全新一代图像巡天做后续光谱认证的多目标光谱仪。在此背景下,可考虑布局配合这些巡天的光谱巡天望远镜(可见[8])。光谱也可深入了解下一代巡天所发现的大量新天体更精确的三维位置及物理本质(如图11),这些都将让我们对宇宙的认识产生很大推动作用。
 
· 2-10微米大视场近中红外波段的空白
 
随着宇宙探索的脚步不断向更深处迈进,人们渴望对更早期的宇宙进行普查。2-10微米近中红外探测,将让人们对早期宇宙认知产生突破性进展:例如直接确认第一代恒星、第一代星系形成,利用早期宇宙的星系团给予宇宙学新的重要检验等。
 
目前,美国、欧洲的6.5米詹姆斯-韦伯太空望远镜虽覆盖近中红外波段,但视场极小,宇宙学普查能力弱。未来美欧的WFIRST, Euclid太空望远镜均具备大视场能力,然而只能覆盖2微米以下波段。日本SPICA望远镜主要覆盖波长在10微米以上的中远红外、亚毫米波段,但距离它上天还遥遥无期。
 
所以,大视场2-10微米的探测在未来20年预期处于空白。同时,这个波段对低暗电流(低于1e-/pixel/s)的基础红外探测器产业将产生很大推动作用(注:我国目前红外探测器暗电流与美国相比差距还很大,红外探测器是军民两用极重要的基础技术之一)。 
 
 
共同解开宇宙之谜的展望
 
由于过去二十年的全波段大型观测设备,及理论、数值模拟的迅速发展 ,人类对于早期宇宙已有了初步的认识。但我们只是窥见了早期宇宙极小的部分,尚属冰山很小的一角。巨大而极丰富的宝藏还在水面以下。
 
现今来看,我们对宇宙的认知还远远不够,对很多关键问题更是一无所知。比如宇宙第一代恒星、星系何时形成?最早的星系团如何形成、演化?新观测是否与大爆炸宇宙学等现有宇宙学理论模型符合?星际介质中气体的金属含量何时、如何升高?其状态、温度、动力学如何影响星系演化?如何探测更大尺度上的宇宙网,它们的状态、分布是否与我们预期一致……这些皆是未解之谜。国际上已就这些前沿问题布局了力量和设备,但仍遗留了一些空白的重要参数空间。我们仍可在这些空白之处进行准备,与国际同行一道,尽早解答这些未解之谜,共同推进人类对于宇宙的认识。
 
 
参考文献: 
[1]. Sobral, D. 2015; ApJ, 808, 19S 
[2]. Shibuya, T. 2018, PASJ, 70S, 15S
[3]. Zheng, W. 2012, Nature, 489, 406-408
[4]. Takuya H. et al. 2018 Nature 557, 392-395
[5]. Cai Z. et al. 2017, ApJ, 837, 71 
[6]. Cantalupo et al. 2014, Nature, 506, 63C
[7]. Vavra, J. 2013, arXiv: 1304.0833 
[8]. A report on the Kavli Futures Symposium organized by NOAO and LSST https://arxiv.org/pdf/1610.01661v1.pdf
[9]. Cai, Z. et al. 2017; ApJ; 839; 131
[10].  Schaye, J. et al. 2015, MNRAS 446 521
[11]. Shandarin & Zeldovich, Review of Modern Physics, 1989 Vol. 61
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