宇宙的“黑暗时代”是什么样的？科学家揭示宇宙早期没有星星的世界

明明是我

在大爆炸之后，原子核的形成只需几分钟，而中性原子的形成则需要几十万年。但第一批恒星直到大约1亿年后才开始形成。在中性原子形成后、第一颗恒星诞生前的这段时间，标志着宇宙历史中的一段特殊时期：宇宙黑暗时代。那个时期，宇宙没有恒星，只有中性原子，这是一个充满黑暗的时代。科学家们才刚刚开始探索这一迷人的阶段。
当我们回顾宇宙的历史时，我们会惊讶于最早的时刻在塑造让我们存在的条件方面的深远影响。宇宙暴胀发生后，留下了量子涨落的种子，进而引发了热大爆炸。宇宙从最热、最密集的状态逐渐冷却、膨胀，产生了更多的物质而非反物质，随后形成了稳定的质子和中子、原子核，最终形成了中性原子，这一切都发生在辐射和中微子背景的海洋中。
你可能会认为，一旦中性原子形成，接下来的进程应该是由引力驱动的恒星形成。但与之前的过程相比，恒星的诞生需要漫长的时间。在过去50万年里，宇宙已经由物质主导，辐射海已经冷却，原子不再被电离，引力开始起作用。即便如此，第一颗恒星的形成依然需要5000万到1亿年的时间。在此期间，宇宙经历了所谓的“宇宙黑暗时代”，这是宇宙最黑暗的一段时期。
中性原子的形成不仅为分子、离子和原子的化学结构打下了基础，也对“释放”大爆炸遗留下来的光子至关重要。当中性原子首次形成时，光子不再受到自由电子的散射。这意味着光子将沿直线传播，以光速前行，直至遇到其它物质。
这些光子的数量远远超过了宇宙中原子的数量，且光看起来均匀地来自宇宙的各个角落。在宇宙黑暗时代开始时，这些光子浴的温度为2970.8K，呈现出黄橙色。不同区域的温度有所差异，一些区域温度高达2971K，而其他区域则稍低，约为2970.6K。虽然这些差异看起来微小，但它们对宇宙的进化与发展至关重要。
为什么这些微小的温差如此重要？因为每个区域的光子携带相同数量的固有能量，且能量在光子之间均匀分布。辐射在热区携带的能量与冷区的相同，但由于环境不同，辐射在每个区域的表现各异。低密度区域的重力较小，光子在离开该区域时失去的能量较少，因此这些区域的光子温度看起来更高。相反，高密度区域由于物质多，重力较强，光子离开时损失的能量更多，使得这些区域的光子温度较低。
在一个包含不同密度区域的宇宙中，你可能会认为，剩下的任务就是让高密度区域因引力聚集更多物质，形成恒星。这是事实的一部分，但引力并非唯一的决定因素。光子也在起作用，它们的存在为宇宙故事增添了更多层次。引力的作用符合直觉：物质相互吸引，密度更大的区域吸引周围的物质。即使在膨胀的宇宙中，密度较高的区域依然能吸引来自低密度区域的物质。
这表明，引力是一种失控的力量，最终会导致“赢家”和“输家”的出现。拥有最大质量的区域会吸引最多的物质，随着物质越来越集中，引力也变得越来越强。然而，物质和引力并不是宇宙中的唯一主导力量。辐射也在起作用，尤其是光子背景辐射。虽然物质通过引力吸引质量，但辐射也会向密集区域聚集。当这种情况发生时，需要记住，辐射与物质不同，它具有强大的内在压力。例如，太阳的质量是地球的30万倍，但由于内部光子施加的向外压力，它的密度远小于地球。这种压力不仅能抵抗恒星的引力坍缩，也能在任何星体形成之前支撑坍塌的气体云，减缓其成长速度。
即便在物质主导的宇宙中，只要辐射仍然重要，物质密度的增长也会受到限制。数百万年来，宇宙结构的增长速度受到辐射压力的抑制，物质无法以更快的速度聚集。随着时间推移，氢原子开始在宇宙中占据主导地位。氢原子内的自旋翻转跃迁会释放出新的光子，宇宙中92%的原子是氢。
在宇宙大约1500万到2000万年的时刻，温度已降至接近地球的温度。稍微密集的物质团块开始显著增长，密度达到宇宙平均水平的30000分之10~15。密集区域的物质增长速度加快，并可能达到宇宙平均密度的60到90倍。
追踪这些密集区域非常重要，因为它们的密度一旦超过临界值，原本简单的增长机制就不再适用。当区域密度比平均值高出68%时，宇宙的演化开始发生质变，非线性增长开始，密集团块会迅速收缩，吸引更多的物质。
当宇宙约5000万年时，致密团块进入了非线性增长阶段，开始以极快的速度收缩。最终，第一批恒星将在这些极致密的区域形成。而大多数宇宙区域将继续缓慢增长，直到物质团块积累到足以形成恒星的密度。
宇宙大约2亿到2.5亿年时，星星的第一波诞生浪潮才会开始。然而，在最密集的区域，物质在5000万到1亿年内就开始坍缩，最终形成恒星。这些恒星将由质子-质子反应中的氢到氦的聚变链反应定义。
就在第一颗恒星形成前，宇宙的状况与今天大不相同。空间并不透明，而是充满了阻碍光传播的中性原子。大爆炸遗留下的辉光温度比当时高出30到50倍。即使拥有强大的红外能力，JWST也无法观察到这些时期的光。尽管科学家希望通过JWST观察到星星形成的初始阶段，但即使使用最先进的技术，初期恒星仍然会显得模糊不清。
在50万年内，中性原子形成完成，但直到100到200万年后，物质才会坍缩至足以形成第一颗恒星的状态。在这段时间里，唯一能看到的光是大爆炸遗留下来的微弱光辉，直到300万年后，才变得不可见。接下来的4700万到9700万年，宇宙依旧黑暗。然而，当第一颗恒星诞生时，“让那里有光”的时刻，终于再次成为宇宙历史的一部分。。

现在，大家已经基本接受了这样的观念：宇宙并不是从来都是这个样子的，而是一直在演化，其中的天体也不是与生俱来的，而是经历了从无到有，从少到多的过程。那么，现在宇宙中那些我们熟知的发光天体：恒星、星系、黑洞等等，它们最早是怎么来的呢？我们的银河系非常古老，其中最老的恒星有一百多亿岁。宇宙中最早的发光天体必然形成于更早的时期，那时的宇宙还是一个小孩儿。
现在宇宙中的恒星基本都在星系里，虽然星系之外也有一些“流浪”的恒星，但是它们原本也是在星系之内的，只不过在发生星系互相碰撞的时候，被撞的抛了出来。但第一代恒星并非如此，它们不是在星系里形成的。或者说，那些宇宙中最早的一批恒星，当它们形成的时候，星系还没有形成。第一代恒星形成的时候，宇宙还非常年轻，暗物质在密度高的地方结团，形成暗物质晕，气体也随之聚集在一起。这时候，这些气体的元素只有氢、氦和少量的锂，其它的元素还没有形成，可供气体冷却的途径相对较少，主要通过氢分子冷却。氢分子的冷却效率不算高，不能把气体冷却到很低的温度，在收缩的过程中气体也不容易碎裂。最终的结果是一个暗物质晕内只能形成一个或者若干个恒星。显然，这样的“恒星集团”被称为星系是不合适的，作为比较，大家可以参考我们所居住的银河系，银河系里有着约1000亿颗恒星！
虽然形成的第一代恒星数量较少，但是就单个恒星而言，质量却比我们银河系里最常见的恒星要大得多，可以达到太阳的几十倍甚至几百倍，也有人认为可以达到上千倍。第一代恒星的表面温度也更高，能到十万开以上，因此发出的光也更“硬”。同时，它们的大气中也不含金属谱线。当然，它们寿命也比较短，只有几百万年。
以上这些独有的特征，使得第一代恒星在观测中很容易被区分出来。遗憾的是第一代恒星形成在宇宙很早的时候，大致在宇宙年龄为几千万年到几亿年之间。因此它们离我们十分遥远且十分黯淡。
例如，一颗100倍太阳质量的第一代恒星，如果形成在宇宙年龄为3亿年的时候，它现在离我们约300多亿光年，此时它的亮度只有约40等，比哈勃望远镜能够看到的最暗的星星还要暗一万倍，很显然没法被现在的望远镜观测到。不过，第一代恒星爆发产生的超新星会非常亮，有可能被下一代的望远镜捕捉到。即将发射的，作为哈勃望远镜的继承者的詹姆斯·韦伯望远镜，其科学目标之一就是捕捉来自第一代恒星的超新星爆发。
了解第一代恒星还有另外一种途径，就是在我们的银河系内寻找古老的极端贫金属星。相对于第一代恒星而言，这些极端贫金属星是一些小不点，但是寿命非常长，可以一直存活到现在。它们本身不是第一代恒星，但是它们大气里的金属可能来自于第一代恒星，它们好比化石一样，记录了早期宇宙的信息。
第一代恒星形成之后，会产生一些对后续新恒星的形成不利的因素，这称为“反馈”效应。比如它们产生的辐射可以破坏掉能冷却气体的氢分子，电离和加热附近的气体，它们的超新星爆发可以把气体吹到暗物质晕的外面。这些都不利于后来的恒星继续形成，因此初期的第一代恒星形成模式几乎是“一锤子买卖”。当一颗或者一批第一代恒星形成之后，除非在它们死亡之后再经历足够长的时间，否则在同一个或者附近的暗物质晕里，很难再有新的恒星形成。我们一般认为第一代恒星的形成是“self-limited”模式，即在有限的体积内，第一代恒星的数量会有一个上限。当然，这个上限到底是多少，我们目前还不清楚，只能期待未来的观测能够回答。
在宇宙演化中，第一代恒星起到了一个很重要的作用，就是它的超新星爆发提供了最早的金属元素，含有金属的气体能够更有效地冷却，从而形成下一代的恒星。。

宇宙演化示意图，时间是从左到右演化。左边的亮点是大爆炸，也就是现有宇宙学理论认为的宇宙开端。中间蓝色的区域是本文介绍的黑暗时期，此时宇宙中大量的中性氢会吸收大量可见光使得我们很难看到这个时期的星系。直到大部分的中性氢被来自恒星或星系的紫外辐射电离成质子和电子后，宇宙才显得“透明”起来。图中黄色方框区域体现的是宇宙的再电离的完成时间。从这个示意图我们可以看到再电离是一个逐步完成的结果，并且星系的紫外辐射会电离出一个个的空泡，而不是一个均匀的电离过程。
我们的宇宙在大爆炸后约三十万年时进入了一个黑暗时代(图1中的蓝色区域)。此时的宇宙充满了大量的中性氢。在引力的作用下，一部分中性氢会形成恒星甚至星系。可是中性氢大量吸收了恒星和星系发出的可见光，导致我们几乎探测不到这一时期任何天体，显得十分“黑暗”。这团中性氢像雾霾一样阻止了天文学家看清楚宇宙黑暗时代的星系。直到恒星形成释放的紫外光子把此时宇宙里的中性氢电离为质子和电子后，宇宙才终于对可见光“透明”了起来，这一过程叫做宇宙的再电离。
宇宙何时从黑暗时代进入再电离时代，不但是宇宙学的基本的问题，也是星系形成演化，恒星形成等领域的重要前沿问题。关于再电离的一个可行的研究方法是寻找高红移的恒星形成星系，尤其是莱曼阿尔法发射线星系。越古老的莱曼阿尔法发射线星系，越能帮助我们理解宇宙再电离的细节。
红移7左右的发射线星系非常稀有。尽管窄波段巡天的方法可以有效的从图像上分辨出发射线星系候选体，目前天文学家已经在红移6.6处发现了近百个发射线星系，但是在红移7左右的相关研究一直进展缓慢，在2006年到2012年间，天文学家发现了20多个红移7的星系候选体，只有3个星系被确认处于这一红移时期。这一方面表明宇宙再电离在红移7左右并未结束，也表明电离过程可能不是均匀发生在宇宙各个区域，正在被电离的宇宙也许充满了一个个被电离的泡泡。。

我们知道微波背景辐射发生在宇宙年龄只有38万年的时候，此时大爆炸残留的辐射向任何方向同时发出，均匀的充满了整个宇宙。但在CMB之后的宇宙经历了神秘的“黑暗时代”！这个时期宇宙中没有恒星、星系，只有原始的中性气体云。因此这个时期没有所谓的可见光。
今天我们就了解下，这个时期引力对宇宙物质结构的影响；还有第一批恒星，星系和超大质量黑洞的形成？以及对天文学至关重要的21里面线！
今天的宇宙从小尺度到大尺度充满了各种各样的结构，包括重元素、有机分子、卫星、行星和生命。在更大的尺度上，宇宙还有一些可以发光的结构，包括恒星、星团、星系、星系团、超新星、类星体和浩瀚的宇宙网络。实际上，在任何方向，任何空间位置，我们都会发现大量的发光物体。它们的数量多少似乎只受限于我们望远镜的口径和曝光时长的限制。如果我们在宇宙中追寻所能看到的最古老、最遥远的东西，就会发现一个朝四面八方发出光子的辐射面：宇宙微波背景。
回到宇宙的早期阶段，也就是热大爆炸的时候，此时的宇宙中充满了一切能从能量上产生的任何粒子，当然这就包含了目前已知和未知的粒子：光子、物质、反物质，以及暗物质粒子以及一些神秘消失的奇异粒子。随着宇宙年龄的增长，空间也在不断的膨胀，一直持续到了今天。当宇宙膨胀时，它也会冷却，因为光子的能量与它的波长成反比，而膨胀的宇宙会拉伸光子的波长，使得光子能量降低。
膨胀降温意味着，宇宙在某一时刻：
变得足够冷，物质/反物质对的自发产生过程逐渐停止，这就意味着所有的反物质将湮灭消失，
变得足够冷，质子和中子可以在不被高能辐射立即炸开的情况下稳定的组合成原子核，最终
变得足够冷，中性原子也可以稳定地形成（上一步形成的原子核可以和电子稳定的结合在一起）而不被光子重新电离。
最后一步非常重要，因为当宇宙经历了这种转变以后，它从不透明的离子化等离子体（光子频繁的被电子散射）就变成了对光子透明的状态（光子可以自由的沿直线传播）。因为中性原子只会吸收特定能量的光子，大部分集中在可见光波段。
这就是最后散射面的来源。当CMB第一次形成的时候，温度大约是2940k，为红色光。在未来300万年左右的时间范围内，CMB的光将会从可见光中红移，变成纯红外光，最终，随着时间的推移，光子的波长会被拉伸到微波波段。然而，从那一刻起（宇宙在38万年前发出宇宙微波背景辐射）直到数千万年后第一颗恒星的形成，宇宙中没有任何新光产生，更没有我们所能看到的可见光。这就是所谓的宇宙“黑暗时代”。
当恒星、星系和黑洞形成的时候就是黑暗时代结束的时候，宇宙进入了第二次光明的时代。如果大爆炸创造了第一束光，那么在形成第一批恒星之前，不会有新的光源产生，直到宇宙5000到1亿年之间才会发生新的光源。(你可能听说过5.5亿年这个数字，这是宇宙再电离时代，不是第一批恒星的形成时间！)
只有在第一批恒星形成之后，我们才有了第一个黑洞（来自恒星的死亡），第一个超大质量黑洞（来自黑洞的合并），第一个星系（来自许多星团的合并），以及后来更大的宇宙结构。
在宇宙微波背景辐射之后，在第一颗恒星出现之前的那段时间呢？宇宙发生了什么？对于这个问题，实际上有两个肯定的答案。
这就是我们熟知的宇宙微波背景温度波动！这些微小的密度涨落是由COBE、Boomerang、WMAP和普朗克等卫星发现的。我们在CMB中看到的那些“热点”实际上是宇宙中物质含量略低于平均水平的区域，而“冷点”则是物质含量略高于平均水平的区域。为什么？因为即使宇宙微波背景辐射发出时在任何地方都是一样的，但当它们穿过物质越多的区域，在引力的作用下就会损失越多的能量。微波辐射中的这些冷点会随着时间的推移而生长，吸引了越来越多的物质。随着宇宙的膨胀物质变得越来越重要而辐射变得越来越不重要（物质开始掌管宇宙，一开始是辐射、物质、后来暗能量），这些区域的生长速度也随之提高。



到宇宙1600万年的时候，典型的高密度区域的大小是CMB形成时的10倍。也就是说，那些一开始密度高于平均密度30000分之一的区域现在是3000分之一；10000分之一的现在是1000分之一，而那些非常罕见的巨大温度波动区域，在宇宙微波背景辐射时可能是500分之一，现在是50分之一，比平均密度高了2%。随着时间的推移，这些密度高的区域继续增长。最终会达到一个阈值，当一个密度过高的区域高于“平均”密度的68%时，就会达到非线性增长的程度，这意味着物质的引力积累会迅速加速。
高密度区域一旦跨过这个门槛，就会在未来形成恒星；从达到这个密度门槛到点亮恒星，这可能是一个不到1000万年的过程。当然要想将宇宙中的中心原子重新电离就需要无数的恒星共同努力，这就是为什么宇宙会经历几千万甚至几亿年的“黑暗时代”。当黑暗时代（宇宙中唯一没有可见光的时代）结束时，第二次光的时代将会来临。
但是宇宙的黑暗时代并不是完全100%的黑暗。当然，周围确实没有可见光，但在宇宙形成恒星之前，确实产生了少量的光，这是因为宇宙中最简单的结构之一：一个不起眼的、简单的、中性原子。
总结：“黑暗时代”并不黑暗，下一代天文学的目标之一是建造一架对21厘米线高度敏感的望远镜，希望能在黑暗时代绘制出宇宙的地图，但这一目标从未实现过。它将使我们的视野超越可见的范围，超越再电离时代，甚至超越詹姆斯·韦伯太空望远镜希望到达的第一颗恒星。
虽然黑暗时代的名字很贴切，但我们有机会通过最微弱、能量最低的光来照亮宇宙的黑暗时代。由于宇宙的红移，目前光的波长将达到10米，这意味着我们需要有更强大的望远镜才能看到它。理想情况下,我国的FAST只要远离地球的无线电干扰，身处在太空就可以观察到宇宙的黑暗时代。这就是宇宙黑暗时代的故事！