宇宙黑暗时代：天体物理学家将如何窥视遥远的过去

詹姆斯韦伯太空望远镜可以帮助科学家了解宇宙黑暗时代以及它们怎样结束的。

13.8 — MARCH 24, 2022

Adam Frank

Credit: M. Alvarez, R. Kaehler, and T. Abel

关键要点

大爆炸是一个相当宏伟的想法。它给天文学家留下很多需要解开的细节。

长期以来，天文学家一直相信第一代恒星通过撕裂漂浮过太空中的氢原子帮助结束了宇宙的"黑暗时代"。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射将为科学家提供一种新的揭示有关宇宙黑暗时代及其怎样结束的细节信息的工具。

几周前，我写了一篇争论反多元宇宙的文章，这个想法从研究宇宙学前沿的科学家浮现。这引发了我和大思想（BigThink）天体物理学家爱善·西格尔（Ethan Siegal）（他非常赞成多元宇宙）之间的辩论。虽然我们的来来回回是超有趣和趣味的，但我不要任何人离开这种认为我在某种程度上是反宇宙学的交流。虽然我没有发表过关于宇宙历史研究的论文，但我在本科和研究生阶段已经教授过这门课。每次我这样做，它冲击我的思维。这就像第一次阅读这种材料一样。

  本着这种精神，今天我要解开一个我们现代宇宙学叙事的将随着詹姆斯韦伯太空望远镜的上线是人们关注焦点的关键：再电离时代。

一个宏大模型

 对于宇宙的演化我们有的最好的模型是大爆炸。按照这个模型，宇宙作为一个无限密集、无限热的空间、时间、物质和能量的复合体开始了。从这些初始条件出现了空时的膨胀。这导致了我们今天看到的一切：星系、行星、人 ------一切。

     大爆炸是一个相当宏伟的想法。它给天文学家留下了许多需要解开的细节，从宇宙的最早阶段开始，膨胀开始后的一秒的无数分之一到138亿年后我们看到的宇宙。天文学家长期以来一直在沉思的一个细节是在氢和氦的宇宙等离子体形成之后发生了什么------这在大爆炸后约30万年成形了的------但在星系完全组装之前。

多年来，科学家们一直基于宇宙随它膨胀了不断冷却的想法已经建立了他们的大爆炸模型。这允许一些有趣的事情随这种思路发生了。例如，在几十万年后，最初的创造火球------它不是真的一个球，  它全是空时------会已经冷却到一个允许质子和电子缓慢地移动足够锁定在彼此上并形成第一个氢原子的温度。

宇宙黑暗时代

氢的形成标志着婴儿宇宙的一个关键过渡。一旦大量氢存在，物质和辐射之间的关系急剧的变化。一些被锁定成一种与物质紧密结合的舞蹈中的光突然的被释放不受阻碍地在宇宙中徘徊。其他类型的光被突然困住。这对强烈的紫外线光子发生（给你晒伤的东西）。

氢原子就像紫外线海绵一样，它们喜欢吸收紫外线粒子。一旦氢形成，紫外线有一个自由穿过宇宙传播的艰难时间。任何被发射的紫外线都会被邻近的氢原子吸收。大量氢的存在意味着宇宙是黑暗的（至少在紫外线方面）。事实上，科学家称氢形成后的时期为"黑暗时代"。

照耀一个光

然而，我们现在生活的宇宙是远更透明的。这意味着黑暗时代最终一定已经结束。天文学家长期以来相信第一代恒星（和黑洞）帮助结束了黑暗时代。当年轻的宇宙成熟到足以允许恒星形成时（也许是大爆炸后的几亿年），它们发出的光足够强大来撕裂漂浮在太空中的氢原子。光电离氢，将原子的唯一电子从它的原子核中的单个质子拉开。

随宇宙开始充满恒星，太空中氢的含量下降。天文学家称这个拾起为再电离时期。他们相信如果他们看进太空足够远------这意味着回到时间中足够远------他们最终应该看到再电离发生的地方。这将是旧的黑暗宇宙和更新的、透明的宇宙之间的边界。在过去的十年中，许多深入研究宇宙过去的研究已经让我们瞥见了这个再电离时代。

一个来反射的时刻

随着詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射，一个结束宇宙黑暗时代的新窗口将打开。望远镜为红外光进行了优化。由于宇宙的膨胀，与短波长紫外光相关的光子已经让它的波长被拉伸到更长的红外波段。这使得新望远镜成为捕捉宇宙黑暗时代和再电离细节的完美仪器。

  这带我回到宇宙学作为一个科学领域是多么冲击思维的。我可能关于像多元宇宙这样的想法有我的怀疑，这些想法是从对大爆炸后最早瞬间的研究浮现的。但这还不是宇宙学研究的全部。映射整个宇宙的历史是该领域的全部任务。随我们经由詹姆斯·韦伯太空望远镜开始深入我们的深钻再电离时代，我们能记住这段历史刚好已经变得多详细的以及我们的宇宙学知识带我们走了多远。

https://bigthink.com/13-8/cosmic-dark-ages/