當第一縷星光 沖破黑暗

赤緯

在偵破案件時，偵探并不總是能得到嫌疑犯的錄像或照片。相反，他們必須煞費苦心地尋找那些容易被忽視的小線索，比如指紋。

就像偵探一樣，天文學家也常常不能在破解謎團的時候，得到所需要的照片。多數時候，他們必須通過仔細在天空中搜尋線索，來拼湊出細微的證據。其中，一個困擾天文學家多年的宇宙學案件，就是宇宙中第一批恒星是何時誕生的。

最近，美國亞利桑那州立大學的賈德·鮑曼領導的一個研究小組宣布，他們終于偵破了這個案件。他們利用設置在澳大利亞沙漠中的一個餐桌大小的射電天線，發現了宇宙第一批恒星留下的微弱“指紋”，并推算出了這批恒星誕生的大致時間——大爆炸后的1.8億年。

那么，他們是如何破案的？

被氫氣吸收的背景輻射

大爆炸發生之后不久，在第一批恒星被點燃之前，宇宙是一個非常黑暗和寒冷的地方。沒有星系，沒有超新星，也沒有類星體。此時的宇宙基本上是由大量的中性氫氣組成的，它們漂浮在大爆炸留下的余熱——宇宙微波背景輻射——之中。隨著時間的推移，引力慢慢地將氫氣最密集的區域匯聚成致密的星云。最終，這些致密的星云坍縮形成了第一批恒星，并開始發光。這個時刻被稱為宇宙的黎明。

第一批恒星發出的光到現在已變得十分暗淡，人類建造的任何天文望遠鏡都無法觀測到。不過，當它們開始在漆黑的太空中發光時，產生的紫外線會影響星際空間中氫氣的屬性，使得這些氫氣有了一項新本領：它們能從宇宙微波背景輻射中吸收頻率約為1420兆赫茲的光子。這些被吸收的光子對應的波長約為21厘米。只要能找到氫氣留下的這種吸收信號，即能檢測到宇宙微波背景輻射在這個頻率下的強度出現了明顯的降低，那么就找到了第一批恒星留下的“指紋”。

不過，隨著宇宙的膨脹，背景輻射中光子的波長會隨著時間被拉長，其頻率會隨之降低。同樣，氫氣在背景輻射上留下的吸收信號，其波長也會隨著時間被拉長，頻率會降低。天文學家可以通過頻率降低了多少，來推測出信號誕生的時間，從而也就知道了第一批恒星誕生的時間。

為了尋找這一信號，鮑曼的研究小組在澳大利亞一處沙漠中設置了一個射電天線。與其他龐大的天文學設備不同，他們的射電天線只有一張餐桌大小。因為我們的銀河系和人類都會產生很多與信號頻率相同的無線電波，這意味著他們必須仔細過濾掉這些強大的干擾。經過十多年的觀測和分析，研究小組在2018年2月對外宣布，他們找到了氫氣在背景輻射上留下的吸收信號，其頻率約為78兆赫茲，對應的波長約為385厘米，并推算出了第一批恒星誕生的大致時間——大爆炸之后的1.8億年，這比之前天文學家估計的早了很多。

暗物質在搞鬼？

不過，他們的發現卻引出了一個大問題。他們檢測到的宇宙微波背景輻射在對應的頻率下，其強度雖然只減弱了0.1%，但卻是原來預期的兩倍多。為此，研究小組花了兩年時間來檢驗這個觀測結果是否是天線本身或外界的干擾導致的。他們甚至建造了第二個天線，并在不同的時間將天線對準天空不同的區域。他們把各個干擾因素都排除掉了，其結果仍然不變。他們認為，這個觀測結果應該是正確的。

為什么下降幅度這么大？以色列的暗物質專家勒南·巴卡納推測，這是因為第一批恒星周圍的氫氣比預計的更冷，它們能吸收更多背景輻射。巴卡納認為，唯一能使得氫氣變得更冷的東西，就是暗物質。

我們能看到的所有東西，包括恒星、樹木、樓房和我們自身，都屬于常規物質。據天文學家的測定，整個宇宙的構成中，常規物質只占了4.9%，而暗物質占了26.8%，剩下的68.3%則是暗能量。暗物質既不吸收光線，也不發射光線，我們無法直接看見它們。目前，我們只能通過它們對常規物質的引力作用來間接找到它們。巴卡納認為，暗物質從氫氣中吸收了一些熱量，使氫氣處于較低的溫度下。如果巴卡納的觀點是正確的，那么這將是第一個不是通過引力作用找到的暗物質存在的證據。

但是，如果暗物質真的能對氫氣起到降溫作用，那么這將挑戰我們之前對暗物質的認知。之前，粒子物理學家推測，暗物質可能是由一種質量較大的粒子構成的，而且不帶任何電荷，這就導致了它與常規物質的相互作用過于微弱，無法直接觀測到。其中，所謂的“大質量弱相互作用粒子”成為了最熱門的候選者，它是一種假想的大質量粒子，只通過弱相互作用和引力產生作用。近年來，研究人員正不遺余力地尋找這種暗物質粒子。研究人員在南極的冰層下、在被廢棄的礦井深處、在國際空間站上進行了很多實驗，也使用了粒子加速器來進行搜尋，但全都一無所獲。

但根據巴卡納的觀點，暗物質必須能與常規物質進行足夠強的相互作用，才能吸收一些熱量，這意味著暗物質應該是由更輕的粒子組成的，并帶有微小的電荷。一些天文學家認為，這次發現可能會帶來兩個諾貝爾獎，一個是關于第一批恒星的發現，一個是關于對暗物質的新認識。

但要完全把大質量的暗物質粒子從候選者中排除掉，可能還為時過早。一些天文學家認為，如果暗物質完全是由輕粒子構成的，或者它們攜帶電荷，那么我們早就能觀測到它們與常規物質之間的相互作用，這與我們目前的觀測結果是矛盾的。一種化解矛盾的途徑是，可以假設大約2%到30%的暗物質是由輕粒子構成的，剩下的暗物質仍是由大質量粒子構成的，并且任何一個暗物質輕粒子攜帶的電荷應該不大于一個電子電荷的十萬分之一。

也許是引力理論或黑洞

導致的？

美國天文學家斯泰西·麥高認為，吸收信號過強跟暗物質沒有關系。麥高一直在研究替代暗物質的理論，認為宇宙中并不存在暗物質，而是我們關于引力的理論出了問題。麥高認為，沒有暗物質，宇宙會膨脹得更快，第一批恒星與恒星之間的空間會更大，這意味著恒星之間的氫氣會更多，因此氫氣吸收的背景輻射會比預期的要多。

還有另一種方法可以解釋過強的吸收信號，而不需要引用新的暗物質粒子或修改引力理論。美國天文學家吉爾·霍爾德認為，在第一批恒星誕生的時候，宇宙中還出現了額外的輻射，氫氣也會吸收額外輻射中的21厘米光子，而當前的檢測結果并沒有把這種額外輻射排除出去，這有可能導致了吸收信號的增強。但這個觀點得解釋額外輻射的來源。霍爾德認為，額外輻射可能是原初黑洞吞噬周圍物質時產生的。原初黑洞是一種假想的黑洞類型，它們是大爆炸之后的瞬間由超高密度物體坍縮形成的。

不管怎樣，非凡的主張需要強有力的證據。畢竟，為了檢測到這個吸收信號，研究小組需要仔細剔除很多強大的干擾。例如，在78兆赫茲波段，我們的銀河系發出的無線電波比所要檢測的宇宙微波背景輻射強了1萬多倍。也許，在剔除干擾的過程中出現了差錯，導致了結果的異常。所以，現在天文學家首要的任務是進一步核實這個觀測結果。

那么，第一縷星光沖破黑暗的同時，是否還能給我們帶來全新的宇宙學？讓我們拭目以待吧。