照亮宇宙的第一道光來自恆星還是黑洞？

量子雜誌·天體物理學專欄

對宇宙最遙遠邊緣進行的一系列觀察，再次引發了人們對原始的宇宙霧氣散去原因的爭論。

文/艾希莉·耶戈爾（Ashley Yeager）

譯/郭修賢

校/劉暢

大爆炸發生後的宇宙初期（大爆炸後約10億年間）正是粒子碰撞聚合的火熱年代。此時的宇宙還籠罩在大爆炸的「硝煙」中，伸手不見五指。終於，從宇宙深處射出一道熾熱的光驅散了「硝煙」，撕裂了廣袤無垠的漫漫黑夜，最終演化出現今的宇宙。這道光到底是來自於元始星系內的恆星，還是宇宙早期的超級黑洞？明年，吃掉NASA20年時間﹑耗資近百億美金的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡終於要發射升空了。也許過不了幾年，透過韋伯望遠鏡，我們就能看到普羅米修斯為人間盜來火種的地方。

??海因里希·費格爾《普羅米修斯帶來火種》（局部）

圖片來源：Wikipedia

宇宙大爆炸後不久，黑暗吞噬了一切。宇宙早期瀰漫的「硝煙」——氫氣，撲滅了這些誕生才一會的恆星與星系發出的光。數億年來，不論是一個星系內所有恆星發出的光，還是超級明亮的天體比如那些被超大質量的黑洞所創造的光，都因為由氫氣形成的宇宙霧氣的出現，讓這些光幾乎毫無形跡。

高能量紫外光在被稱為「再離子化」的過程中將氫原子分解，最終使得宇宙霧氣消失殆盡。但是，關於這一現象究竟是怎樣發生的，其中哪些天體推動了這個過程，以及這些天體中有多少是參與的，這些問題花費了天文學家們幾十年的研究工夫。

如今，在一系列研究中，科學家們對宇宙早期階段的探索比以往更加深入。他們以星系和暗物質（暗物質，由天文觀測推斷存在於宇宙中的不發光物質。由不發光天體、暈物質、以及非重子中性粒子組成。）作為觀察宇宙的巨型鏡頭，透過這一鏡頭去觀察一些已知的最早誕生的星系，並解釋這些星系如何驅散存在於早期宇宙中的霧氣。此外，一個國際天文學家團隊發現了數十個超大質量的黑洞，每個都有幾百萬個太陽那麼重，這些黑洞照亮了早期的宇宙。另一個團隊發現有證據表明，超大質量黑洞的存在要比人們設想的時間還要早幾億年。最新的研究很有必要弄清楚黑洞對於宇宙的再離子化過程起到了多大作用，雖然科學家早已開始研究超大質量黑洞如何能夠在宇宙歷史的早期形成。

宇宙的破曉時分

大爆炸發生後的頭幾年，宇宙溫度極高，原子還不能形成。質子和電子四處飛舞，散射出微弱的光（光波是由電子軌道發生變化產生的。）。然後經過大約38萬年，這些質子和電子冷卻到足以形成氫原子，並在接下來的幾億年內逐漸聚合形成了恆星與星系。

這些元始星系發出的星光明亮且飽含能量，其中許多都落在光譜的紫外部分。當這些光線飛入宇宙中，它們會碰到更多的氫氣。光線的光子將氫氣分解，促使再離子化的發生；但是同時，氫氣熄滅了這些光波的傳播。

??圖片來源：LucyReading-Ikkanda

（此圖的後期處理：劉祥政）

為了尋找這些在元始星系中的發光的恆星，天文學家必須先找到恆星發出光的非紫外部分，並從那裡開始推算。但是非紫外光相對較暗，在沒有設備輔助的情況下很難看得到。

由得克薩斯大學奧斯汀分校的天體物理學家瑞秋·利弗莫爾（Rachael Livermore）領導的一個團隊發現，只有在以巨型宇宙鏡頭觀察時才需要設備輔助。當一個充滿大量暗物質的星系團（星系團，指被引力束縛在一起的十幾個到上千個星系。）通過扭曲時空從而聚焦和放大位於它對面的某個天體的時候，形成了所謂的「引力透鏡」。（根據廣義相對論，當光在星系、星系團及黑洞等具有巨大引力的天體附近經過時，會像通過凸透鏡一樣發生彎曲，根據變化了的光線在光譜外波段呈現的不規則程度，可以推算髮光星系的年齡和距離。）利弗莫爾將這項技術與哈勃太空望遠鏡拍攝的照片結合起來，從而用以辨認極其微弱的星系。這些星系的年代最遠能追溯到大爆炸發生後6億年的時候——正巧是再離子化劇烈發生的年代。

??「引力透鏡」的成像原理：來自遙遠背景星系的光線被前景星系的引力彎曲，造成後方背景星系成像的扭曲，形成所謂的「愛因斯坦環」。在這一效應中背景星系的星光儘管會被扭曲，但同時也會被增亮，就像是凸透鏡聚光效應一般。

圖片來源：百度百科

在《天體物理學雜誌》上發表的最新一篇文章中，利弗莫爾和同事還計算出，如果將發現的這些微弱的星系與目前已知的星系相加，那麼恆星應該能夠產生足夠強的紫外線使宇宙發生再離子化。

??利弗莫爾的論文《直接觀測到可能造成宇宙再離子化發生的星系》

但其中有兩個地方值得注意。進行這項工作的天文學家必須要估算一下：一﹑一顆恆星發出的紫外光中有多少會從它的母星系逃逸出來然後進入更廣闊的宇宙空間；二﹑恆星發出的紫外光對再離子化發生的貢獻有多大。

??在藝術家的概念圖中，來自元始星系的紫外光清除了籠罩在早期宇宙中的濃厚的氫霧氣。

然而，並不是每個人都相信利弗莫爾的結論。荷蘭萊頓大學的天體物理學家理查德·鮑恩斯（RychardBouwens）在提交給《天體物理學雜誌》的一篇論文中指出，利弗莫爾沒有正確地減去來自於構成「引力透鏡」的星系團（指作為「透鏡」的前景星系發出的光。）的光。結果，遙遠處的星系的光並沒有如利弗莫爾和她同事所說的那樣微弱，而且天文學家還沒有發現足夠多的星系來證實宇宙發生離子化是由恆星造成的。

??鮑恩斯提出反對利弗莫爾觀點的論文

超級黑洞的絕對統治

如果恆星做不到讓宇宙發生離子化，也許超大質量的黑洞可以。其可怖的大小，比太陽還重十億倍的質量，足以使超級黑洞能夠吞噬一切物質。超級黑洞將物質拖拽向自己並將其加熱，這一過程發出大量的光，並創造出我們稱之為類星體（類星體，因視形態類似恆星得名。）的發光天體。因為類星體比恆星發射更多的電離輻射，所以理論上類星體能夠讓宇宙發生再離子化。

而關鍵在於找到足夠多的類星體來驗證這一理論。在上個月發表在科學預印網站arxiv.org上的一篇文章中，天文學家使用斯巴魯望遠鏡（Subaru Telescope，亦稱昴星望遠鏡，是一台8.2米口徑的光學望遠鏡，位於美國夏威夷的莫納克亞山頂，由日本國家天文台建造。莫納克亞山，夏威夷島的死火山，是太平洋上最高山。）宣布發現了33顆類星體，它們的亮度比之前確定的類星體的亮度高十分之一。普林斯頓大學的天體物理學家同時也是該研究團體成員之一的邁克爾·施特勞斯（MichaelStrauss）說，有了這樣微弱的類星體的存在，天文學家就可以計算出這些超級黑洞發出了多少紫外光。研究人員尚未完成分析工作，但他們有望在未來的幾個月內公布結果。

??施特勞斯及其同事的觀測論文《斯巴魯High-z探測低亮度類星體項目（SHELLQs）第2號.於5.7﹤z ≤ 6.8發現了32顆類星體和的發光星系》（High-z表示z﹥5.7）。本文修正於2017年5月19日：斯巴魯望遠鏡的研究團隊最近宣布發現了33顆類星體存在於早期的宇宙中，而不是文章最初所報道的32個。

??斯巴魯望遠鏡（天文台），位於夏威夷島的莫納克亞山頂。

圖片來源：日本國家天文台（NAOJ）

這些類星體中最古老的可追溯到大爆炸發生後約10億年，這幾乎就是普通黑洞吞噬大量物質後逐漸擴增成超級黑洞所花的時間。

這也是為什麼另一個最近的發現是如此的令人費解的原因！一支由歐洲南方天文台的天文學家理查德·艾利斯（RichardEllis）領導的研究團隊，正在觀察一個明亮的﹑恆星處於孵育狀態的星系，據觀測這個星系僅在大爆炸過後6億年的時候就出現了。這個星系發出的光譜（根據光的波長排列而成的光波的圖譜。）似乎表現出有電離的氮存在的跡象。讓氫原子電離是十分困難的，甚至比氮原子的電離還要艱難。氫原子的電離，需要比恆星發出的紫外光所帶有的能量更高的紫外光。艾利斯說，宇宙當中的另一個強的電離輻射源（可能是一個超大質量的黑洞）現在一定還存在著，只是還沒被我們發現。

??艾利斯和同事的最新論文《宇宙再離子化時代的塵埃：ALMA望遠鏡於z=8.38的引力透鏡下對星系的觀測結果》（ALMA望遠鏡，全稱「阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡」，是1架由66個拋物面天線組成的射電望遠鏡，位於南美洲智利的阿塔卡瑪沙漠，由美國國家射電天文台和歐洲南方天文台共同建造。）

??ALMA望遠鏡，位於智利北部阿塔卡瑪沙漠北部。

圖片來源：歐洲南方天文台（ESO）

如果在一個孕育恆星的早期星系的中心出現一個超大質量的黑洞，那麼這個超級黑洞也有可能只是一個孤立的點。這不能說明在它的周圍有足夠的黑洞存在，得以讓宇宙發生再離子化。因此，艾利斯開始關注於一些其他的早期星系。他的團隊現在掌握的初步證據表明，超大質量的黑洞座落於早期宇宙中幾個類似的孕育恆星的大型星系的中心。研究這些天體有助於解釋是什麼使宇宙發生再離子化，和說明超級黑洞究竟是如何形成的等諸多問題。「這是一個非常令人振奮的可能性」，艾利斯說。

科學家們所做的這些研究的最終目的，在於對是什麼讓宇宙發生再離子化這一問題做出相對簡單的解釋。第一批原始的﹑熾熱的恆星開啟了再離子化過程，然後歷經數億年的發展。時間流逝，恆星衰亡；那些替代它們的新恆星並沒有像之前那麼的明亮和熾熱。然而，當經過了宇宙歷史的這一分水嶺以後，超級黑洞便擁有足夠長的時間去成長並且開始控制這些恆星。德克薩斯大學奧斯汀分校的天體物理學家史蒂夫·芬克爾斯坦（SteveFinkelstein）等研究人員正在使用最新的觀測數據和對早期星系的模擬來檢驗一些設想的細節是否合理，例如在不同的時期恆星和黑洞分別對再離子化過程的貢獻有多大。

??詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，在NASA的戈達德太空飛行中心的無塵車間內。該望遠鏡被設計用於捕獲來自於早期宇宙形成的元始星系所發出的光。

圖片來源：NASA

芬克爾斯坦的理論和他關於宇宙誕生後最初10億年的所有這些研究工作，都將會在哈勃的繼承者——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡——於2018年發射升空以後的幾年內得到很大的提升。該望遠鏡設計出來主要用於尋找宇宙中最早出現的天體。韋伯太空望遠鏡升空勢必帶給我們更多的發現，同時也可能是更多的疑問。

參考文獻：

LivermoreR C, Finkelstein S L, Lotz J M. Directly Observing the Galaxies LikelyResponsible for Reionization[J]. Arxiv.org. 2016.

BouwensR J, Oesch P A, Illingworth G D, et al. The z~6 Luminosity Function Fainterthan -15 mag from the Hubble Frontier Fields: New Insights into the Impact ofMagnification Uncertainties[J]. Arxiv.org. 2016.

MatsuokaY, Onoue M, Kashikawa N, et al. Subaru High-z Exploration of Low-LuminosityQuasars (SHELLQs). II. Discovery of 32 Quasars and Luminous Galaxies at 5.7< z < 6.8[J]. Arxiv.org. 2017.

LaporteN, Ellis R S, Boone F, et al. Dust in the reionization era: ALMA observations ofa z =8.38 Galaxy[J]. Astrophysical Journal, 2017, 837.

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