追蹤宇宙第一代恒星

宇宙中最早的恒星誕生于大爆炸之后。尋找這些恒星的光芒并非易事。

幾年前，阿維·勒布（Avi Loeb）和他的家人搬到了澳大利亞以南150英里的塔斯馬尼亞島上的搖籃山附近。他們的屋子里沒有安裝網絡，也正因為如此，勒布才不用將大把時間耗費在瀏覽網頁上。每每晚飯過后，勒布都會走出房間望一望頭頂那片天空，它是多么的澄澈，不受任何城市燈光的污染。璀璨的繁星令他驚嘆不已，甚至興奮到頭暈目眩——由無數燦爛恒星組成的銀河橫貫蒼穹；而離我們最近的大型旋渦星系——仙女座星系，在天空中只是一塊月亮大小的暗斑。

勒布是哈佛大學天文系主任，也是理論與計量研究所的所長。他凝視著美麗的夜空，欣賞著黑色天幕上排演的每一個景象，突然之間，對于他所研究的東西有了些許靈感。宇宙中第一代恒星和星系是如何被點亮的？它們又誕生在何時？長久埋藏在心底的研究課題或許有了明確的答案。

追尋星光

勒布今年52歲，但看上去很年輕，留著一頭棕色的短發，身材結實而健壯。他并沒打算成為一名天體物理學家。他在以色列出生、成長，經常在周末尋找一處僻靜之所，讀書、思考。勒布說：“我發現，哲學提出了幾大基本問題，卻從來沒有解決它們。”他意識到，科學也許能給予他合適的機會來提供一些解答。

1980年，18歲的勒布有幸參與8年精英軍事計劃，攻讀數學和物理學。他并沒有學習跳傘、駕駛坦克以及參加其他軍事訓練，而是朝著物理學博士方向努力。他研究的目標是發明一種新型槍支，其彈丸可加速到很高的速度。這項研究為他帶來了免費美國之旅，還能參與總統羅納德·里根的戰略防御計劃。在訪問期間，他參觀了普林斯頓高等研究所等研究中心。就是在這里，如今已故的天體物理學家約翰·巴考爾（John Bahcall）授予他5年獎學金，但條件是他的研究方向要從物理學轉向天體物理學。

勒布欣然接受。在1988年至1993年間，他在研究所里刻苦自學了天文學。他回憶道：“一切都必須從頭開始學起，我甚至不知道太陽是怎么發光的。”在他發表了大量論文后，1993年，他來到哈佛大學擔任助教，把研究的重點放在了“宇宙中的第一束光”上。在當時，這是一個非常艱深的領域，因為世界上只有少數科學家鉆研這個課題。他打算考察第一代恒星的誕生，而非138億年前宇宙的誕生，因為他想離“宇宙的本源”更近一些。正如他所說：“我們由重元素組成，這些重元素是從第一代恒星產生的，而不是宇宙大爆炸。”

此外，我們無法直接觀測到宇宙大爆炸，但宇宙學家如今可以憑借望遠鏡以及更多先進的儀器尋找第一代恒星和星系。勒布覺得這樣的研究和考古學有相似之處，我們就像在挖掘宇宙深處的古老文物：光在宇宙空間中行進的速度是有限的，我們探測遙遠的光源就相當于了解宇宙的過去。因此，觀測距地球130億光年的星系（當然，現在它離我們更遠，因為宇宙在膨脹）就能夠看到130億年前宇宙的模樣。

讓恒星誕生

20世紀90年代中期，勒布在天體物理學方面開始做出成績，他同在校研究生佐爾坦·海曼（Zoltan Haiman）和博士安妮·索爾（Anne Thoul）一起發現了第一代恒星誕生的機制和過程。這個過程始于宇宙大爆炸后不久，那時宇宙中的物質分布不太均勻，一些區域中的物質密度比平均值高出0.001%。引力將更多的物質聚攏在這些區域，使致密的地方變得越來越致密。主要由氫原子組成的氣體云開始聚集起來。

勒布和他的同事為了簡化計算，假設這些氣體云是對稱的球體，在正常情況下，它們會坍縮形成恒星。這個過程是一種非常精妙的平衡：在引力作用下，氣體云發生壓縮，但當氣體的體積縮小，溫度上升，向外擴張的壓力就增強了，這又限制了氣體云進一步坍縮。氣體云的中央必須要變得足夠致密才能夠觸發核聚變反應，釋放出巨大能量，恒星才可能形成。但是，如果氣體云無法冷卻下來以減少向外的壓力，它就永遠達不到那個關鍵的密度閾值。

勒布的團隊很快就發現了氣體云冷卻的一種方式。當氣體變得愈發致密，兩個氫原子可能會聚合成一個氫分子。這些分子一開始只是氣體的很小一部分，但它們能吸收氣體周圍的熱能，并在發光的過程中釋放這些熱量，這樣就能降低氣體云的溫度，為恒星形成創造有利環境。

勒布團隊不停地演算著整個模型中恒星產生的過程，覺得是時候號召更多精通計算機的天文學家加入進來了。現就職于德克薩斯大學奧斯汀分校的沃爾克·布羅姆（Volker Bromm）說：“勒布把這個奇妙的物理問題帶給了我們。我們和他一起利用計算機程序將這項研究進一步深化。”

多年來，布羅姆和其他科學家的計算機模擬表明，遵循勒布提出的一般路徑的氣體云能夠產生許多大小各異的恒星。總體來說，這個過程為早期星系的形成提供了條件。

探尋氣體云

帶著尋找孕育第一代恒星的氣體云的信念，勒布在過去十年間把大量精力用在了一個新的領域——“21厘米宇宙學”。它是射電天文學的一個分支，關注的是21厘米波長的電磁輻射波。正是憑借這項技術，天文學家證實了恒星的祖先——氣體云——主要由氫原子構成。每個氫原子（由一個質子和一個電子組成）都可在兩種稍微不同的狀態下被發現：電子和質子同向旋轉的高能狀態以及電子和質子反向旋轉的低能狀態。當原子從高能級躍遷到低能級，會發射出一個21厘米無線電波譜線的光子。天文學家通過射電望遠鏡尋找宇宙中21厘米波長的發源地，就能確認遙遠的富含氫原子的區域，從而追溯到第一代恒星形成的那個時代。

當時，勒布和他的哈佛同事馬蒂亞斯·扎達日伽（Matias Zaldarriaga）（阿根廷天體物理學家）向其他科學家介紹21厘米宇宙學是如何更詳盡地解釋宇宙的，使他們對此產生極大的興趣。這個方法讓天文學家揭開了宇宙“黑暗時期”的面紗——從宇宙大爆炸到1億年后恒星開始發光之間的那段“低迷混沌期”。

這個方法的另一項潛在回報就是能夠捕捉到宇宙演化的信息。要知道，宇宙在大爆炸之后不斷膨脹，不但空間在延伸，光和其他形式的電磁輻射也在延伸。現在，我們假定宇宙大爆炸后的5億年時，一個由氫原子構成的氣體云向外輻射出21厘米波長的無線電波，同時，宇宙膨脹因子是10。130年后，這些到達我們視野的無線電波也是以10為膨脹因子在延伸，我們接收到的信號變成了210厘米波長的無線電波。然而，更晚誕生的無線電波則不會拉長那么多倍，假定它們的膨脹因子是5，則它們的波長變成了105厘米。勒布和扎達日伽告訴同事，他們對宇宙的歷史有了更為清晰、明確的認識。

再電離時期

如今，宇宙學家將利用新建的射電天文望遠鏡陣列確定第一代恒星形成的具體時間。為了理解他們的方法，讓我們重溫宇宙大爆炸后物質普遍由氫原子構成的炙熱時期。

由于那時溫度極高，輻射極強，這些原子最初是以電離的形態存在的：帶負電的電子與帶正電的質子剝離，留下帶正電的氫離子（實際上只有質子）。宇宙誕生后的大約38萬年后，物質逐漸冷卻下來，電子和質子開始合并，形成一種“中性”的氫原子，即凈電荷為零的基態氫原子。氫原子一直維持這個狀態，直到恒星和星系開始形成。這些新生恒星除了能夠產生可見光，還能輻射紫外線。紫外線將中性氫原子分離成電子和質子——氫原子又一次被電離——這被科學家稱作“再電離時期”。

電離氫原子不能發射出21厘米輻射，因為這取決于電子和質子的相對旋轉狀態。因此，天文學家通過確認21厘米發射譜線消失來尋找再電離的氫原子——這也就是恒星之光同時被點亮的證據。以他們自己的話來說，他們的戰略是要搜尋有關第一代恒星的某些效應，而非恒星本身。

勒布說，這種21厘米無線電波信號突然消失的情況并不會一次性出現在所有地方。他用瑞士奶酪來做類比：奶酪上的洞代表恒星和星系及其周圍的區域，這些區域的紫外線已經把氫原子電離了，中斷了21厘米無線電波信號；奶酪的實心部分則代表未接收到輻射的區域，這些區域中的中性氫原子仍然存在。

隨著時間的推移，奶酪上的洞不斷擴張，相互重疊在一起，最終只剩下洞，奶酪（中性氫原子）消失了。勒布說：宇宙如今正是這樣的狀況，氫原子全部再電離，這種狀況已經持續了120多億年。實際上，勒布認為在大爆炸后的9.5億年間，宇宙中99.99%的區域已經發生了再電離。

在那個時期，恒星是如何誕生的？柏克萊加州大學的亞倫·帕森斯（Aaron Parsons）也對此產生了興趣。帕森斯是南非卡魯沙漠128天線再電離高精度望遠鏡陣列（PAPER）的聯合首席研究員。他是這樣描述他的目標的：第一代恒星產生的紫外線足以電離星系間的氣體；問題是“這是何時發生的”？帕森斯也沒有直接觀測恒星，而是嘗試捕捉21厘米信號消失的瞬間，這應該和多數氫原子發生電離的時間相一致。

帕森斯和它的同事們開始觀察二維的“瑞士奶酪片”，計算著奶酪上的洞——代表再電離的范圍和影響。如果這個方法獲得成功，下一步要做的便是拓展高精度望遠鏡或建立新的陣列，提高觀測技術，最終直接得到三維空間中中性氫原子的分布以及失去中性氫原子的“空洞奶酪”。這將是對整個宇宙再電離時期的一個更全面的模型。只要知道再電離被觸發的時間，科學家就能夠精確推斷第一代恒星開始涌現的那一刻。

下一個前沿

與此同時，勒布還在鉆研另一個宇宙學前沿項目，通過觀測中性氫原子去探尋更早期的宇宙——恒星形成前的黑暗時期。他認為這可能是最有趣的時代，因為在這個時代中，最原始的氫開始成形，組成了能夠孕育恒星和星系的氣體云。

勒布是黑暗時期無線電探測（DARE）計劃的研究員。這個計劃將在繞月探測器上放置一根無線電天線。由于探測器位于地球電離層之上，接收到的電磁頻率不會受到電離層的干擾，所以能夠比如今其他天線傳遞更為清晰的信號。勒布在儀器的設計上做了優化，但他擔心這個計劃僅僅是一個想法，而且還未獲得資金支持。

即使不實施DARE計劃，現存的項目也已經開始搜集新的數據。哈勃太空望遠鏡最近就鎖定了一個在大爆炸后3.8億年誕生的星系。哈勃的繼任者——韋伯太空望遠鏡，口徑將是哈勃望遠鏡的三倍，接收面積是哈勃的7倍。這個6.5米口徑的大鏡子能夠探測更暗淡更古老的星系。

勒布和哈佛大學同時也是巨型麥哲倫望遠鏡（GMT）計劃的合作伙伴。GMT的口徑是24.5米，將在智利拉斯坎帕納斯天文臺所在山頂建成。GMT將在下一個十年開展觀測項目。GMT比現有的望遠鏡大5倍，未來它將會提高科學家搜尋第一代星系的效率。

在這期間，還有兩個更為宏大的項目將要啟動——夏威夷的30米口徑望遠鏡和智利的39米口徑歐洲超大望遠鏡。不過目前資金仍然是個問題。

這些高端的項目比過去20年的先進許多，將會給勒布的研究帶來可喜的變化。對于未來數年巨量的數據，勒布已經做好充分的準備，并設計了詳盡的策略和流程去分析和研究。盡管還不知道這些數據將傳達什么樣的信息，激發科學家的何種新發現，但勒布希望這些數據能對修正目前的第一代恒星模型有所幫助——哪怕是獲得出乎預料的結論，他也會欣然接受。