當(dāng)?shù)谝豢|星光沖破黑暗

就像偵探一樣，天文學(xué)家也常常不能在破解謎團(tuán)的時(shí)候，得到所需要的照片。多數(shù)時(shí)候，他們必須通過(guò)仔細(xì)在天空中搜尋線索，來(lái)拼湊出細(xì)微的證據(jù)。其中，一個(gè)困擾天文學(xué)家多年的宇宙學(xué)案件，就是宇宙中第一批恒星是何時(shí)誕生的。

最近，美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的賈德·鮑曼領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組宣布，他們終于偵破了這個(gè)案件。他們利用設(shè)置在澳大利亞沙漠中的一個(gè)餐桌大小的射電天線，發(fā)現(xiàn)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(shí)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(fā)生之后不久，在第一批恒星被點(diǎn)燃之前，宇宙是一個(gè)非常黑暗和寒冷的地方。沒(méi)有星系，沒(méi)有超新星，也沒(méi)有類星體。此時(shí)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(shí)間的推移，引力慢慢地將氫氣最密集的區(qū)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(kāi)始發(fā)光。這個(gè)時(shí)刻被稱為宇宙的黎明。

第一批恒星發(fā)出的光到現(xiàn)在已變得十分暗淡，人類建造的任何天文望遠(yuǎn)鏡都無(wú)法觀測(cè)到。不過(guò)，當(dāng)它們開(kāi)始在漆黑的太空中發(fā)光時(shí)，產(chǎn)生的紫外線會(huì)影響星際空間中氫氣的屬性，使得這些氫氣有了一項(xiàng)新本領(lǐng)：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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約為21厘米。只要能找到氫氣留下的這種吸收信號(hào)，即能檢測(cè)到宇宙微波背景輻射在這個(gè)頻率下的強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的降低，那么就找到了第一批恒星留下的“指紋”。

不過(guò)，隨著宇宙的膨脹，背景輻射中光子的波長(zhǎng)會(huì)隨著時(shí)間被拉長(zhǎng)，其頻率會(huì)隨之降低。同樣，氫氣在背景輻射上留下的吸收信號(hào)，其波長(zhǎng)也會(huì)隨著時(shí)間被拉長(zhǎng)，頻率會(huì)降低。天文學(xué)家可以通過(guò)頻率降低了多少，來(lái)推測(cè)出信號(hào)誕生的時(shí)間，從而也就知道了第一批恒星誕生的時(shí)間。

為了尋找這一信號(hào)，鮑曼的研究小組在澳大利亞一處沙漠中設(shè)置了一個(gè)射電天線。與其他龐大的天文學(xué)設(shè)備不同，他們的射電天線只有一張餐桌大小。因?yàn)槲覀兊你y河系和人類都會(huì)產(chǎn)生很多與信號(hào)頻率相同的無(wú)線電波，這意味著他們必須仔細(xì)過(guò)濾掉這些強(qiáng)大的干擾。經(jīng)過(guò)十多年的觀測(cè)和分析，研究小組在2018年2月對(duì)外宣布，他們找到了氫氣在背景輻射上留下的吸收信號(hào)，其頻率約為78兆赫茲，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約為385厘米，并推算出了第一批恒星誕生的大致時(shí)間——大爆炸之后的1.8億年，這比之前天文學(xué)家估計(jì)的早了很多。

暗物質(zhì)在搞鬼？

不過(guò)，他們的發(fā)現(xiàn)卻引出了一個(gè)大問(wèn)題。他們檢測(cè)到的宇宙微波背景輻射在對(duì)應(yīng)的頻率下，其強(qiáng)度雖然只減弱了0.1%，但卻是原來(lái)預(yù)期的兩倍多。為此，研究小組花了兩年時(shí)間來(lái)檢驗(yàn)這個(gè)觀測(cè)結(jié)果是否是天線本身或外界的干擾導(dǎo)致的。他們甚至建造了第二個(gè)天線，并在不同的時(shí)間將天線對(duì)準(zhǔn)天空不同的區(qū)域。他們把各個(gè)干擾因素都排除掉了，其結(jié)果仍然不變。他們認(rèn)為，這個(gè)觀測(cè)結(jié)果應(yīng)該是正確的。

為什么下降幅度這么大？以色列的暗物質(zhì)專家勒南·巴卡納推測(cè)，這是因?yàn)榈谝慌阈侵車臍錃獗阮A(yù)計(jì)的更冷，它們能吸收更多背景輻射。巴卡納認(rèn)為，唯一能使得氫氣變得更冷的東西，就是暗物質(zhì)。

我們能看到的所有東西，包括恒星、樹(shù)木、樓房和我們自身，都屬于常規(guī)物質(zhì)。據(jù)天文學(xué)家的測(cè)定，整個(gè)宇宙的構(gòu)成中，常規(guī)物質(zhì)只占了4.9%，而暗物質(zhì)占了26.8%，剩下的68.3%則是暗能量。暗物質(zhì)既不吸收光線，也不發(fā)射光線，我們無(wú)法直接看見(jiàn)它們。目前，我們只能通過(guò)它們對(duì)常規(guī)物質(zhì)的引力作用來(lái)間接找到它們。巴卡納認(rèn)為，暗物質(zhì)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(diǎn)是正確的，那么這將是第一個(gè)不是通過(guò)引力作用找到的暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

但是，如果暗物質(zhì)真的能對(duì)氫氣起到降溫作用，那么這將挑戰(zhàn)我們之前對(duì)暗物質(zhì)的認(rèn)知。之前，粒子物理學(xué)家推測(cè)，暗物質(zhì)可能是由一種質(zhì)量較大的粒子構(gòu)成的，而且不帶任何電荷，這就導(dǎo)致了它與常規(guī)物質(zhì)的相互作用過(guò)于微弱，無(wú)法直接觀測(cè)到。其中，所謂的“大質(zhì)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(zhì)量粒子，只通過(guò)弱相互作用和引力產(chǎn)生作用。近年來(lái)，研究人員正不遺余力地尋找這種暗物質(zhì)粒子。研究人員在南極的冰層下、在被廢棄的礦井深處、在國(guó)際空間站上進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn)，也使用了粒子加速器來(lái)進(jìn)行搜尋，但全都一無(wú)所獲。

但根據(jù)巴卡納的觀點(diǎn)，暗物質(zhì)必須能與常規(guī)物質(zhì)進(jìn)行足夠強(qiáng)的相互作用，才能吸收一些熱量，這意味著暗物質(zhì)應(yīng)該是由更輕的粒子組成的，并帶有微小的電荷。一些天文學(xué)家認(rèn)為，這次發(fā)現(xiàn)可能會(huì)帶來(lái)兩個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，一個(gè)是關(guān)于第一批恒星的發(fā)現(xiàn)，一個(gè)是關(guān)于對(duì)暗物質(zhì)的新認(rèn)識(shí)。

但要完全把大質(zhì)量的暗物質(zhì)粒子從候選者中排除掉，可能還為時(shí)過(guò)早。一些天文學(xué)家認(rèn)為，如果暗物質(zhì)完全是由輕粒子構(gòu)成的，或者它們攜帶電荷，那么我們?cè)缇湍苡^測(cè)到它們與常規(guī)物質(zhì)之間的相互作用，這與我們目前的觀測(cè)結(jié)果是矛盾的。一種化解矛盾的途徑是，可以假設(shè)大約2%到30%的暗物質(zhì)是由輕粒子構(gòu)成的，剩下的暗物質(zhì)仍是由大質(zhì)量粒子構(gòu)成的，并且任何一個(gè)暗物質(zhì)輕粒子攜帶的電荷應(yīng)該不大于一個(gè)電子電荷的十萬(wàn)分之一。

也許是引力理論或黑洞導(dǎo)致的？

美國(guó)天文學(xué)家斯泰西·麥高認(rèn)為，吸收信號(hào)過(guò)強(qiáng)跟暗物質(zhì)沒(méi)有關(guān)系。麥高一直在研究替代暗物質(zhì)的理論，認(rèn)為宇宙中并不存在暗物質(zhì)，而是我們關(guān)于引力的理論出了問(wèn)題。麥高認(rèn)為，沒(méi)有暗物質(zhì)，宇宙會(huì)膨脹得更快，第一批恒星與恒星之間的空間會(huì)更大，這意味著恒星之間的氫氣會(huì)更多，因此氫氣吸收的背景輻射會(huì)比預(yù)期的要多。

還有另一種方法可以解釋過(guò)強(qiáng)的吸收信號(hào)，而不需要引用新的暗物質(zhì)粒子或修改引力理論。美國(guó)天文學(xué)家吉爾·霍爾德認(rèn)為，在第一批恒星誕生的時(shí)候，宇宙中還出現(xiàn)了額外的輻射，氫氣也會(huì)吸收額外輻射中的21厘米光子，而當(dāng)前的檢測(cè)結(jié)果并沒(méi)有把這種額外輻射排除出去，這有可能導(dǎo)致了吸收信號(hào)的增強(qiáng)。但這個(gè)觀點(diǎn)得解釋額外輻射的來(lái)源。霍爾德認(rèn)為，額外輻射可能是原初黑洞吞噬周圍物質(zhì)時(shí)產(chǎn)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(qiáng)有力的證據(jù)。畢竟，為了檢測(cè)到這個(gè)吸收信號(hào)，研究小組需要仔細(xì)剔除很多強(qiáng)大的干擾。例如，在78兆赫茲波段，我們的銀河系發(fā)出的無(wú)線電波比所要檢測(cè)的宇宙微波背景輻射強(qiáng)了1萬(wàn)多倍。也許，在剔除干擾的過(guò)程中出現(xiàn)了差錯(cuò)，導(dǎo)致了結(jié)果的異常。所以，現(xiàn)在天文學(xué)家首要的任務(wù)是進(jìn)一步核實(shí)這個(gè)觀測(cè)結(jié)果。

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