宇宙的“黑暗时代”比我们想的更简短

    有过一段整个宇宙没有星光是可见的时间。那段时间是短寿的：比天文学家想的更短。

STARTS WITH A BANG — JUNE 24, 2024

Ethan Siegel

 

宇宙中第一批恒星打开的描画。没有金属来冷却导致第一批恒星形成的气体团块，只有在大质量云内最大的团块将最终变成恒星：数量更少但质量更大，比今天的恒星活的远更短。Credit: NASA / Dana Berry / WMAP Science Team

关键要点

    在宇宙历史中的早期，在中性原子形成后但在夜空被恒星和星系照亮之前，黑暗统治了：宇宙历史的所谓“黑暗时代”。

    随我们的星系形成的理解被最近的发现包括被詹姆斯韦伯太空望远镜的许多发现推回更远，我们已经不得不修改我们的想法。

    “黑暗时代”现在被认为一直是难以置信的简短，甚至可能比大多数天文学家从来想象的更简短。这里是我们今天所处在的地方。

   我们的恒星和富星系的宇宙并不总是这样。

这张比较图像显示被哈勃的极限深场（上）和詹姆斯韦伯太空望远镜的先进深河外勘查（JADES）（下）成像的相同区域，展示一个在年轻宇宙中发现的许多超遥远星系的选择。当我们在更大距离观测宇宙时，我们正在看到它就像它在遥远的过去中一样：更小、更密集、更热、更少进化的。回到詹姆斯韦伯太空望远镜能力的限制，我们到处都能看到恒星和星系的证据。Credit: NASA, ESA, CSA, STScI (JWST); ESA/Hubble & NASA and the HUDF09 team (Hubble)

    随着时间，引力从近乎均匀的开始形成了这些宇宙结构。

与现在日子的银河系相媲美的星系是众多的，但像银河系一样的更年轻星系内在的比我们今天看到的一般星系更小、更蓝、更混沌、气体更丰富。对所有中的第一批星系，这种效应达到极端。就像我们已经从来晦气看到的一样，星系服从这些规则。Credit: NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale U.), S. Patel (Leiden U.), and the 3-D-HST Team

    但更早期起，我们体验了所谓的“黑暗时代”。

130多亿年前，在再电离时代期间，宇宙是一个非常不同的地方。星系之间的气体对高能光大体上是不透明的，使来观测年轻的星系很难。詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）正在窥视深入太空来收集关于在再电离时代存在的天体的更多信息来帮助我们了解宇宙的历史中的这一重大过渡，并发现明亮的早期星系是常见的，而星系际中性物质是不足够来阻止光线到达我们的望远镜。Credit: NASA, ESA, J. Kang (STScI)

    早期起，在热的大爆炸期间一切是辉煌的高能的。

在热大爆炸的最早阶段，没有可以形成的束缚结构，只有物质粒子、反物质粒子和像光子一样的玻色子的“原始汤”。这种热、密集和迅速膨胀的状态会迅速的冷却掉。Credit: Brookhaven National Labs/RHIC

    然而，随着宇宙膨胀它冷却了，拉伸了每个光子的波长。

 

就像一个气球膨胀一样，任何粘在它的表面的硬币将出现从彼此退去，“更远”的硬币比不那么远的硬币退去更快。任何光将红移，因为随着气球的织造膨胀它的波长会“延伸”到更长的值。这种可视化有力的解释宇宙膨胀的背景内的宇宙学红移。如果宇宙今天正在膨胀，那就意味着它在过去更小、更热、更密集：导致热大爆炸的画面。这也解释为什么所有量子都会随着宇宙膨胀失去动能，以及为什么光子让它们的波长随着宇宙的膨胀变长。Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy

    当中性原子形成时——向前38万年——还没有恒星存在。

在热的早期宇宙中，先于中性原子的形成，光子以非常高的速率散射掉电子（在一个更小程度散射质子），当它们做时传递动量。在中性原子形成后，由于宇宙冷却到某个临界阈值以下，光子只是沿一条直线旅行，仅在波长中被空间膨胀影响。Credit: Amanda Yoho for Starts With A Bang

    然而，背景辐射仍然是足够热来看，在大约3000 K。

在我们宇宙历史中的任何时代，任何观察者将体验起源回到大爆炸的全向辐射的均匀“沐浴”。请注意，宇宙微波背景不只是一个来自一个点的表面，而是一个一下子存在于到处的辐射浴。随每个新的一年过去，宇宙微波背景会进一步冷却约0.2纳开尔文，数十亿年后，宇宙微波背景将变得如此红移以至于它将拥有无线电而不是微波频率。当它第一次被发射时，温度约为3000 K，直到320万年已经过去为止不会落的低于人类视觉的阈值，对应于大约290的红移。Credit: Earth: NASA/BlueEarth; Milky Way: ESO/S. Brunier; CMB: NASA/WMAP

    仅在约320万年后温度才会冷却到人类能见度阈值以下。

在热大爆炸开始，宇宙正在迅速膨胀并充满了高能、非常密集的超相对论量子。一个辐射统治的早期阶段让位于几个后期阶段，在这些阶段中辐射是次统治的，但永远没有完全消失，而物质随后随着时间聚集成气体云、恒星、星团、星系甚至更丰富的结构，而宇宙继续膨胀。遗迹辐射已经消失后但在恒星已经点燃之前的时间标志着宇宙黑暗时代。Credit: CfA/M. Weiss

    这开始前恒星时代的时钟：宇宙黑暗时代。

最初，在左边，宇宙在任何恒星已经形成之前充满了中性的、封锁光的物质。然而当恒星开始形成时，它们创造电离紫外线光子，这导致好像它们对可见光是透明的的口袋的行为，如红色所示。随着时间，随我们向右移动，越来越多的宇宙变得被重新电离，直到大爆炸后大约5.5亿年为止再电离完成。与早期的想法相反，这个再电离的时代大多被照亮了，而不是我们真正的“黑暗时代”过去的一部分。Credit: Thesan Collaboration

    然而，第一批恒星迅速的到达了。

宇宙中第一批恒星亮起的描画。没有金属来冷却导致第一批恒星的形成的气体团块，只有在大质量云内最大的团块将最终变成恒星：数量更少，但质量比今天的恒星更大。虽然有很多封锁光的物质，但其中一些星光仍然能逃逸进入宇宙之外。Credit: NASA / WMAP Science Team

    詹姆斯韦伯太空望远镜已经向我们显示了大的大质量进化的星系甚至在早期起就存在。

詹姆斯韦伯太空望远镜的先进深河外勘查勘查区域的这一微小部分，用詹姆斯韦伯太空望远镜的近红外相机仪器拍摄，详细展示相对附近的星系中间距离的星系出现一起聚集，甚至可能正在相互作用或形成恒星的超远星系，尽管它们微弱的性质和红色外观。我们才刚刚开始用詹姆斯韦伯太空望远镜探索宇宙的全部丰富性。Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), P. Cargile (CfA)

    最早的JADES-GS-z14-0来自大爆炸后仅2.9亿年。

在詹姆斯韦伯太空望远镜的先进深河外勘查场的背景内显示星系JADEs-GS-z14-0是完全不起眼的，但刚刚再次打破了宇宙距离记录，变成从来第一个当宇宙年龄低于3亿岁时发现的星系：仅为它的当前年龄的2.1%。Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), P. Cargile (CfA)

    周围的物质——主要是中性原子——不足以来完全封锁这种星光。

出生时有一个典型或“正常”过密度的区域将生长来在它们中有丰富的结构，而过疏的“空无”区域将有较少的结构。然而，早期的小尺度结构被密度最高的峰值区域（此处标记为“罕见峰值”）统治，这些区域生长最大，速度最快，并且只在最高分辨率的仿真中才能看到细节。Credit: J. McCaffrey et al., Open Journal of Astrophysics (submitted), 2023

    仿真支持许多大的大质量星系甚至在约2亿年之前标志。

更早强调的三个用文艺复兴套件的仿真区域导致来预测在这三个区域（橙色、蓝色和绿色线）内星系的质量是多大。到目前为止用詹姆斯韦伯太空望远镜发现的5个最早的星系用误差棒显示，在观测区域内发生的概率约为“1”。如果它们真的是罕见的，它们应该是更亮、更大质量，如约10^-3和约10^-6似然曲线所示。请注意，甚至在x轴尺度的开始，在约1.5亿年，也已经存在约100000个太阳质量的恒星物质团块。Credit: J. McCaffrey et al., Open Journal of Astrophysics (submitted), 2023

    超大质量黑洞可能经由直接坍塌形成，甚至更早。

这个来自超级计算机仿真的片段显示两条会聚的冷气流之间超过100万年的宇宙演化。在宇宙大爆炸之后1亿年多一点的时间里，物质的团块生长来占有在最密集的区域都含有数万个太阳质量的单个恒星。这可以为宇宙最早、质量最大的黑洞提供所需的种子，以及为星系结构生长提供最早的种子。Credit: M.A. Latif et al., Nature, 2022

    这把最早的恒星放进宇宙历史仅5000万到1亿年。

艺术家的宇宙内某个区域随它首次形成恒星可能看起来像什么一样的概念。随它们照耀和合并，会发出电磁辐射和引力辐射。但物质转化为能量确实做另外的事情：它造成辐射压力中的一个增加，这对抗引力。围绕恒星形成区域是黑暗，因为中性原子有效地吸收了发射的星光，而发射的紫外线星光起电离内到外物质的作用。Credit: Pablo Carlos Budassi/Wikimedia Commons

    位于 30 或更高的红移上，詹姆斯韦伯太空望远镜可能不能够发现它们。

宇宙中第一批恒星和星系将被（大部分）氢气的中性原子包围，这吸收星光。没有金属来冷却它们或辐射掉能量，只有最重区域中的大质量团块才能形成恒星。第一颗恒星可能会在5000万到1亿年时形成，基于我们的最好的结构形成理论和我们迄今为止对宇宙的最佳观测，这对应于30到50之间的一个红移。Credit: Nicole Rager Fuller / NSF

    我们的“黑暗时代”是难以置信简短的。

这张宇宙历史示意图突出再电离，是在2022 年詹姆斯韦伯太空望远镜时代开始之前创建的。在恒星或星系形成之前，宇宙中充满了封锁光的中性原子，宇宙的大部分直到5.5亿年后为止没有变得完全再电离。然而从那以后，我们已经了解到“黑暗时代”已经结束，因为许多恒星和星系的光进入存在并明亮的照耀，早在那个标记之前：并且可能在最初的1亿到2亿年内，如果不是更早的话。Credit: S. G. Djorgovski et al., Caltech; Caltech Digital Media Center

    大多寂静的星期一以图像、视觉效果和不超过 200 字讲述一个天文故事。

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