宇宙在产生第一批星系时是怎样的？

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当我们今天眺望银河系之外的时候，无论我们看得多远，所能看到的是遍布宇宙的星系。即使在没有恒星、星系或任何已知物质的情况下对着一片黑暗的天空拍摄，如果曝光时间够久，看得够远，我们仍然会看到成千上万的星系，哈勃望远镜的超深空为我们展现过这样的景象。总而言之，在可观测宇宙中，存在上千亿甚至上万亿个星系，它们在各个方向上绵延上百亿光年。

然而，尽管我们已经观测到了大量的星系，但我们从来没有看到足够远的地方，我们还从未看到过宇宙中最早的星系。目前已知最远的星系是GN-z11，它在宇宙年龄只有4亿年的时候就已经存在了（宇宙目前的年龄为138亿年）。尽管这个星系出现在早期宇宙中，但它已经历过演化，其中还是充满了古老的恒星，这意味着宇宙的第一批星系出现的时间还要更早。如果我们幸运的话，我们在未来将会观测到它们。目前，有关宇宙第一批星系的样子都是基于理论推测。

我们今天看到的星系都已经老，它们非常巨大，其中充满了各种各样的恒星。大部分星系中包含有很多重元素，星系中所有的原子大约有1%到2%（按重量计算）是氢或氦以外的元素。这是一种巨大的改变，因为考虑到宇宙诞生时没有碳、氮、氧、硅、硫、铁等重元素。

要知道，星系花了数十亿年乃至上百亿年的时间和无数代的恒星来合成出这些重元素。如果我们向宇宙深处望去，我们也会回顾过去，我们就会发现，早期星系与今天的样子有很大的不同，早期星系比现在的星系更小、更蓝、更多、更缺乏重元素。随着时间的推移，宇宙中的星系已经演化了很多。

那么，最初的星系是如何形成的呢？当它们形成的时候，宇宙是什么样子的？

在星系形成之前，宇宙发生了一系列事件。物质战胜了反物质，原子核形成，然后是中性原子形成，第一代恒星诞生又死亡了，并产生了第二代恒星。但即使在所有这些事件发生之后，星系仍然没有形成。这是因为最小的宇宙尺度首先会引力坍塌，而更大的尺度则需要更长的时间。

想想两个重要的因素在起作用：引力和光速。引力是唯一能将越来越大的物质聚集在一起的机制。然而，物体通过引力聚集的增长速度是有限的。

想象一下，物质从一个小质量开始聚集，然后超过了平均密度。如果有一些额外的质量来吸引一光年之外的地方，它将会花费整整一年的时间来感受来自该质量的引力，因为引力只以光速传播。但是如果有一个额外的质量在一百或者一百万或者十亿光年之外，就必须等待相应的时间才能产生引力作用。总之，引力不是瞬时的超距作用，它只以光速传播。

在第一批恒星和恒星团之后，最终会在宇宙空间中的某处聚集大量的质量。结果是它们会相互吸引，最终能有效地做到这一点。

不过，一个巨大的恒星团吸引另一个恒星团的时间尺度将比单个星团形成的时间尺度要长得多。这是因为星系的尺度很大，聚集足够多的物质需要很长的时间。

但需要注意的是，最初的高密度区域导致了恒星团和星系的数量只有三万分之一，这意味着这些高密度区域需要在大量的时间内生长。如果在恒星团之间的距离比单个恒星团要长数十或数百倍，那么，这不免会让人心生疑问，制造星系的时间岂不是要比恒星多出几十倍或数百倍？

事实并非如此。虽然星系形成需要更长的时间，但也不需要那么长。引力的力量是可以累积的，所以它基本上就像是一个延迟启动的时钟。“恒星团”时钟在宇宙大爆炸后几百万年开始；而“星系”的时钟可能在那之后的1000万年开始。

这就是大规模结构形成的运行方式。在任意尺度上都有密度的不均匀，一旦有足够的时间通过引力来吸引物质，它们就会生长。

很快，宇宙就形成了第一批恒星团，时间大约是在宇宙诞生5000万到1亿年之后。与此同时，宇宙几乎立刻就形成了第二代恒星，因为第一代恒星的质量太大，寿命极短，在那之后不久就触发了新一代恒星的形成。

然后，再过数千万年的时间才能形成第一个星系，因为这需要恒星团在空旷的空间中相互吸引，直至最终它们融合在一起。对于大型星系，以及星系群和星系团，这将需要更长的时间尺度。

那么，宇宙中的第一批星系要如何寻找呢？

寻找这些最初星系所面临的最大挑战是，在当时的整个宇宙中，还没有足够的恒星来电离星系际空间中的所有中性原子。质子和电子仍然会相互束缚，直到宇宙中充满了持续且足够的紫外线来永久地把这些电子从原子中释放出来。

这意味着来自第一批恒星（和第一批星系）的光被这些原子吸收，宇宙仍然是不透明的。目前，我们所发现的最早星系GN-z11可以追溯到宇宙大爆炸后的4亿年，它之所以被发现，是因为它位于一种偶然的、电离程度高于平均水平的区域中。

然而，我们可以做得比这更好。我们已经观察到从那以后的大量星系，我们已经能够确定它们的恒星有多大了。

MACS1149-JD1星系是迄今为止发现的第二远的星系，它的光来自大爆炸后的5.3亿年。然而，当我们观察它的时候，我们发现它里面的恒星大约有2.8亿年的历史，这意味着它们是在宇宙大爆炸后的2.5亿年里形成的。

这些恒星的大规模形成并不仅仅是因为有一个恒星团，而且还因为它们出现在大合并发生时，产生了天文学家所说的“星爆”。碰撞气体会导致物质坍缩，从而引发大量的新恒星形成。这要比仅仅发生引力坍缩的恒星团具有更大的规模和更高的能量，这些应该是真正的第一批星系。

它们会变得更大更亮，包含更多的恒星，并且会留下一个清晰的信号。它们会在宇宙中留下印记，这些印记将会被观测到。

它们不仅会开始对宇宙的再电离做出贡献，而且无论它们在哪里形成恒星，我们都会发现电子与它们的电离原子核重新结合在一起。当这发生在氢原子的时候，有50%的几率形成一个自旋排列的构型（上-上或下-下），并且有50%的几率自旋会是反排列的构型（上-下或下-上）。

相比之下，上-下或下-上的构型更稳定。如果形成了排列的构型，它将在大约1000万年的时间尺度上向下转换到反排列的构型。当它转换时，它会释放出一个特殊的光子，其波长为非常独特的21厘米。

然后，这些光子会在宇宙中传播，并最终到达地球。由于空间不断膨胀，这会导致这些光发生红移。在今年早些时候，有一项研究声称探测到了第一个中性氢21厘米谱线的迹象。尽管这引起了很大的争议，但令人印象深刻的是，第一批星系的理论形成时间尺度与这些观测结果非常吻合。结果表明，第一批星系的起源时间是在宇宙诞生2亿至2.5亿年后。

在宇宙第一批星系之前，需要经历一系列事件：首先需要恒星和恒星团形成，它们需要引力将这些恒星团聚集成更大的团块。但是，一旦制造出大型结构，它们就可以继续快速生长。这不仅吸引了恒星团和气体，还吸引了更多的小星系。宇宙网络已经迈出了它的第一步，并且将在接下来的几亿年乃至上百亿年的时间里继续增长，并且变得更加复杂。

与此同时，初始密度较低的区域将继续增长，这些地方会形成新的恒星和星系。宇宙中的星系并不是同时形成的，而是有着先后顺序。在宇宙中的第一批星系形成之后，像我们银河系这样的星系已经正式开始形成了。

  
本文选自：今日头条