天文學家發現宇宙最古老恆星

科學家們可能首次探測到了宇宙最原始時期的「黎明之光」。研究者們在3月1日出版的《自然》雜誌上報道稱宇宙最早的一批恆星誕生於大爆炸後約1.8億年。「宇宙的黎明」在環繞恆星周圍的氫氣中留下了蛛絲馬跡，被無線電天線設備所探測到。

宇宙最早期的恆星是藍色的，它們發出的紫外線使氫原子吸收了特定波長的宇宙微波背景輻射，這一現象發出的信號如今被科學家探測到

「這是一個非常激動人心的發現，我們首次有機會一睹宇宙那段原始時期的模樣。」來自南非的宇宙觀測學家H. Cynthia Chiang說。他本人並沒有參與這項研究。

能用天文望遠鏡直接觀測到的最古老的恆星相比之下要晚好幾億年。這次使用的新的觀測方法開發研究了大約十年，它的探測對象是充滿了早期宇宙的原始氫氣氣體。這個方法的成功應用使未來宇宙學的研究充滿希望，更多前沿的新技術和研究方法將會揭示宇宙最初那段無法被直接觀測時期的樣子。

大爆炸理論中的宇宙演變示意圖。大爆炸發生於約138億年前

不過專家表示，目前的研究結果還有待進一步的確認，因為實際結果與預期並沒有完全一致，尤其是特定頻率電磁波的振幅是預期的兩倍多。

這個意料之外的觀測結果意味著氫氣比預想中的要更冷。如果結果被最終確認，可能暗示著一種新的現象在早期的原始宇宙里發生了。以色列特拉維夫大學的理論天體物理學家Rennan Barkana在《自然》雜誌上闡述了其中一種可能性，那就是氫原子和暗物質粒子之間的一種新的相互作用形式。暗物質是宇宙中最神秘莫測的物質，它無法被直接觀測或探測到，卻佔據了整個宇宙絕大部分的質量。

「如果這種解釋沒錯的話，它很可能值得兩個諾貝爾物理學獎。」哈佛大學的理論天體物理學家Avi Loeb說。一個獎給「宇宙黎明」的探測，另一個給暗物質產生的影響。不過Loeb同樣對探測結果持保留意見：「信號與我們預期不符的事實讓我多少有些緊張。」

普林斯頓高等研究所的理論宇宙學家 Matias Zaldarriaga表示，為了增加科學家們的信心，本次探測的結果需要進行其他實驗來進行進一步的確認。另外幾項探測信號的實驗已經開始同步進行。

亞利桑那州立大學的實驗宇宙學家Judd Bowman和同事們提煉了他們對於最早的恆星光線作用於氫氣上的證據：「我們沒有直接看到星光，但我們探測到了它對宇宙環境的間接作用。」他們所在的宇宙再電離時期探測實驗項目（EDGES）追蹤到了古老恆星的痕迹。

在宇宙早期的歷史中，最早誕生一批恆星發出的光線會穿過稠密的氫氣，在這一過程中，紫外線會與氫原子相互作用，從而改變不同能量級中氫原子所佔的比例。這種改變會導致氫氣氣體在宇宙微波背景輻射中吸收一種特定波長的光線，約21厘米。研究者們探測到了該波長光線的顯著減少，從而得出了現在的結論。

宇宙微波背景輻射

隨著時間的流逝，在被地球的無線電收到前，這種光線的波長會因為宇宙的膨脹效應被拉長至幾米。通過測量伸長量，研究者們就能精確地描述最早的一批恆星是大爆炸都多少年誕生的。

不過，想要探測到這種微弱的信號變化具有很大的挑戰性，銀河系發出的無線電波都在高得多的能級，同時還要避免地球上如調頻廣播信號的干擾。所以Bowman和同事們選擇遠離人類文明，在澳大利亞西部內陸荒無人煙的默奇森射電天文台進行實驗。

科學家們希望利用相似的方法，更先進的技術和設備進一步確定這些恆星具體是在宇宙的什麼地方形成的，並揭開宇宙「幼年」歷史中其他時期的秘密。「我們向著一個激動人心的全新領域邁出了第一步。」 Bowman說。

編譯：吳桐

參考文獻

J.D. Bowman et al. An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum. Nature. Vol. 555, March 1, 2018, p. 67. doi: 10.1038/nature25792.

R. Barkana. Possible interaction between baryons and dark-matter particles revealed by the first stars. Nature. Vol. 555, March 1, 2018, p. 71. doi: 10.1038/nature25791.

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