第一盞星光與暗物質

苗千

一個經由一場大爆炸而誕生的陰冷黑暗的宇宙，何時才能迎來黎明？當宇宙中的第一顆恒星形成，整個宇宙都被點亮，又會對整個宇宙的命運造成怎樣的影響？在宇宙大爆炸發生了將近138億年之后，人類是否還能回溯到宇宙開始變亮的那一刻？

在澳大利亞西部茫茫沙漠的中間，一組科學家在這里終年忙碌，這是為了用一種特殊的方法探測到宇宙中的第一盞星光。他們在位于西澳大利亞的默奇森電波天文觀測站（Murchison Radio-astronomy Observatory），遠離現代生活的各種無線電干擾，建造出一個比家用冰箱略大的天線進行天文學探測。相比于動輒花費天文數字的各種天文學探測設備，這個天線的造價不到500萬美元。而在經過了12年的探測之后，這組科學家利用這個天線探測到的數據震驚了世界天文學界。如果這組數據還有其所指向的結果能夠最終被證實，不僅會讓人們對于宇宙早期形態的認識更加清晰，還有可能對于當今物理學研究的最大謎團——暗物質的真實身份——產生決定性的影響。

想要理解這個發現的意義，需要從宇宙的源頭開始說起。人們至今仍然不清楚最早的恒星于何時形成，它們又具有哪些性質。宇宙經過大爆炸誕生大約40萬年之后，逐漸形成了氫原子和氦原子，這些原子彌漫在黑暗的宇宙空間之中，隨后在引力的作用下，物質開始逐漸聚合，形成恒星，整個宇宙于是被點亮了。天文學家估計這些最早期的恒星可能比現在的恒星更熱，結構也更簡單。

關于第一盞星光究竟在何時被點亮，在天文學界有各種理論進行預測，根據最新的探測結果來看，最初的恒星形成于宇宙誕生之后的1.8億年。恒星的出現對于整個宇宙的形態和演化過程都造成了重大影響。恒星被點亮之后，彌漫在它們周圍的氫氣終于有可能被“看見”，它們發出的光線可以被氫氣吸收，這也是恒星形成的最重要的標志，它開始影響周圍的媒介。從某種意義上說，構成地球和人類的主要物質都源于恒星。目前在宇宙中常見的一些天體，包括黑洞，大多也都源于恒星。追溯第一顆恒星的歷史，也就相當于追溯到了人類演化歷史的最源頭。

恒星出現的意義還不止于此。在恒星出現之前，氫原子與大爆炸產生的宇宙微波背景輻射都均勻地彌漫在宇宙空間中，彼此之間的相互作用形成了一種平衡狀態。當恒星出現之后，它所發射的紫外線可能被分布在它周圍的氫原子所吸收，這個過程會影響氫原子的結構，造成氫原子內電子的躍遷，進而發射出波長21厘米（頻率為1420兆赫茲）的輻射，而這種輻射有可能在地球上被探測到。輻射在宇宙膨脹過程中經過紅移現象演變得波長更長、頻率更低。正是因為輻射的波長和頻率隨著宇宙的膨脹而逐漸變化，天文學家可以通過探測到的輻射特點來判斷它所形成的時間。在澳大利亞進行天文探測的研究小組正是因此推斷了宇宙最初開始變亮的時間，而輻射信號的消失則標志著宇宙中最早期的恒星的熄滅——通過波長判斷這是發生在宇宙形成的2.5億年之后。

這個在澳大利亞的沙漠中進行天文學探測的研究小組由來自美國亞利桑那州立大學和麻省理工學院的天文學家組成，他們正合作進行一個名為“全天再電離時期信號探測實驗”（Experiment to Detect the Global EoR Signature）的項目研究，他們希望利用一組特殊制作的天線，探測來自宇宙中第一顆恒星所發出的輻射信號。因為這種信號的頻率上限恰好與地球上電臺廣播的頻率相重合，任何來自地球的干擾信號都可能是他們想要探測的宇宙信號強度的上千倍，天文學家們只能在沒有任何來自地球的無線電波干擾的默奇森電波天文觀測站進行探測。資助這個研究項目的美國國家科學基金會項目主管彼得·科琴斯基（Peter Kurczynski）形容說，想要探測這樣的信號，就如同要在風暴的中心探測蜂鳥扇動翅膀的聲音。

實際上，研究小組最初是想探測宇宙中更晚一些時間的恒星輻射信號，但是從2015年開始，他們把探測信號的頻率調整到了78兆赫茲，這個頻率所對應的時間為宇宙大爆炸之后的1.8億年。多年的辛苦工作終于取得了回報，2018年3月1日，來自亞利桑那州立大學的天文學家賈德·鮑曼（Judd Bowman）與合作者們共同在《自然》（Nature）雜志發表論文《以78兆赫為中心的全天平均光譜吸收曲線》（“An Absorption Profile Centred at 78 Megahertz in the Sky-averaged Spectrum”），報告了研究小組多年來取得的探測結果。

鮑曼的研究小組通過地面天線探測到了宇宙大爆炸發生1.8億年之后，也就是距今大約136億年前的恒星輻射信號。它是來自遠古的恒星光線在被周圍氫氣吸收之后留下的印記，這也是宇宙中最早的恒星所能留下的信號。鮑曼自己評價說，除了宇宙大爆炸之外，這是人類能夠探測到的最早的宇宙信號。

如果說探測到了宇宙中最早的恒星所留下的信號，讓人們對于宇宙的早期狀態的理解更加清晰，并且驗證了一種全新的探測宇宙的方法完全可行，還算是在研究者的預料之中的話，那么一些意料之外的發現就讓人感到既迷惑又興奮了。天文學家們探測到的早期恒星的信號強度是此前預測的兩倍，鮑曼以及合作者們對這個結果感到非常迷惑，他們甚至重新建造了一個天線，又花費了兩年時間進行探測，結果依然如故。

要解釋這個現象，只能認為當時宇宙空間中氫原子的溫度只有天文學家們此前估計的一半。根據估算，當時氫原子的平均溫度應該為大約6開爾文，而探測信號顯示，當時氫原子的平均溫度僅僅為3開爾文左右。那么又該如何解釋在宇宙形成的早期，氫原子的平均溫度只有理論估算溫度的一半？以色列特拉維夫大學的天文學家熱納·巴克納（Rennan Barkna）認為，理論與實際的差別，涉及到了當今物理學研究中最大的一個謎題：暗物質之謎。巴克納的推斷在物理學界所引發的震動更甚于鮑曼做出的發現。

2018年3月1日，在同一期《自然》雜志中，緊隨鮑曼與合作者所發表的論文，巴克納根據他們的探測數據也發表了一篇論文《由最早的恒星所揭示的重子與暗物質粒子之間可能存在的相互作用》（“Possible Interaction Between Baryons and Dark-Matter Particles Revealed by the First Stars”）。論文中所謂的“重子”（Baryon）可以理解為人類已經發現和理解的普通物質。而自從上世紀30年代人類發現暗物質的存在之后，人們通過引力作用的計算，發現其占宇宙總物質能量的26.8%，卻至今仍然對其性質缺少理解，甚至連暗物質的基本組成形式都不清楚。

巴克納的論文將暗物質與天文學家們剛剛發現的宇宙中最早的恒星信號聯系在了一起，他認為正是由于暗物質的存在，使當時氫原子的平均溫度低于預期。巴克納在論文中推斷，在當時的宇宙條件下，唯一可能溫度低于氫原子的物質就是暗物質。如果在當時氫原子與暗物質粒子發生了相互碰撞，兩者之間就有可能發生能量交換，從而降低氫原子的溫度——如果這個解讀成立的話，這就是人類第一次通過非引力作用探測到暗物質的存在。

盡管目前人們觀測不到暗物質與普通物質發生相互作用，但是在宇宙誕生的初期情況可能并不是如此。天文學家們猜測，在低溫、低速的條件下，暗物質有可能與普通物質發生相互作用。經過計算，暗物質粒子要和氫原子發生散射，暗物質粒子的質量大約相當于質子質量的幾倍——這可能也正是人類多年來都無法探測到暗物質粒子的原因，人們此前估計的暗物質粒子，例如大質量弱相互作用粒子的質量都遠超質子。粒子物理學家們之前可能完全找錯了方向。

鮑曼研究小組的探測結果以及巴克納的推斷在《自然》雜志發表之后，迅速在全世界物理學界引發了軒然大波。這不單單可能是人類探測宇宙早期狀態的一個重大突破，也有可能是幾十年來人類所做暗物質研究的最重大突破。哈佛大學理論物理學家阿維·勒布（Avi Loeb）評價說，如果這個研究成果和推斷都能成立的話，值得獲兩個諾貝爾獎，但是“不尋常的主張需要不尋常的證據”，還需要耐心等待其他研究小組對探測結果進行確認。

人類進行天文學研究，追尋整個宇宙以及人類自身的源頭，找尋人類自身存在的價值，這可能正是人類進行科學研究最根本的意義所在。而在進行科學研究和探測的過程中收獲意外驚喜，進而可能對科學發展做出貢獻，則是一位科學家所能獲得的最大獎賞了。在21世紀，在宇宙大爆炸發生的138億年之后，人類能夠探測到宇宙中第一盞星光，這難免讓人想起敘利亞詩人阿多尼斯的詩句：

當我把眼睛沉入你的眼睛

我瞥見幽深的黎明

我看到古老的昨天

看到我不能領悟的一切

我感到宇宙正在流動

在你的眼睛和我之間

（本文寫作參考了《自然》《科學》雜志，以及美國亞利桑那州立大學的報道）