“儿时”的宇宙什么样？
2018/8/5 17:09:10 中科院物理所

     宇宙发展简史，图片来源：NASA

     导读：

     从现今人类对于宇宙的认识来看，宇宙的起点源于一次大爆炸，并经历了成长的“儿童”时期和星光璀璨的“少年”时期，进而来到了如今相对平静的阶段。然而，就目前我们的技术手段来看，这些模糊的时限远未满足我们对于宇宙形成、演化认识的预期。一些根本的问题仍悬而未解。

     本期《天问》专栏，带您一起回顾宇宙演化的各个时期，尝试拨开层层迷雾，一探宇宙形成演化的全景。

     ● ● ●

     无限掌中置，刹那成永恒问天

     刹那爆炸的宇宙(图1)，在诞生时是炽热且致密的。质子、电子等基本粒子形成一锅“滚烫的汤”。随着宇宙的膨胀，这锅汤逐渐变冷。到了大爆炸后38万年，电子被质子俘获，形成稳定的中性氢原子，多余的能量则转化成紫外光。这些紫外光又在漫长的宇宙膨胀中，逐渐被拉长到微波波段，成为今天我们观测到的宇宙微波背景辐射。

     这时的宇宙处于黑暗时代，其中没有一丝星光。物质却摸着黑开始了“城镇化”进程：在引力的作用下，聚集到密度稍高的区域。逐渐地，物质在大尺度上，排列成“纤维网”这种稳定的结构。如果我们将今天的宇宙看成是个百岁老人，那么当时的它就还是几个月的婴儿。这时，宇宙中主导的元素是最基本的中性氢。

    

     图1：宇宙演化模型图，图片来源：日本国立天文台(笔者略作修改、注释)

     “第一代”星系——宇宙的“儿童”阶段问天1.第一缕星光从何而来？

     在宇宙的结构形成中，小结构形成较快，大结构形成较慢。正如某些区域在人口密度高时，自然形成村落一样，随着时间推移，宇宙中逐步形成了小的暗物质晕。一些暗晕中集中了大量原初分子云，在引力的作用下，这些云不堪重负、塌缩发生核反应，点燃了第一代恒星(图2)。第一缕星火迅速燎原，开始电离周围的氢。然而，第一代恒星缺金属、冷却难、温度高、质量大、消耗快，很快以超新星爆炸的形式牺牲，产生出很多生命所需的元素(如碳、氮、氧、铁等)。宇宙中的金属含量也迅速增加。

     从黑暗时代到第一代恒星形成，期间发生了什么？由于科研经费的限制，我们目前尚无实测的限制，主要依靠理论结合计算机模拟加以了解。这一过程被认为发生在大爆炸后一亿年以内，如果今天的宇宙年龄相当于百岁，当时的宇宙则还是不满一岁的婴儿。未来，利用中性氢的21厘米谱线，结合近中红外波段等观测，人们将有望直接对第一代恒星的形成有一个完整的实测描述。

     2.致敬C罗的疑似第一代星系事件

     图2：艺术家笔下的第一代恒星假想图。第一代恒星没有金属元素，质量、个头都比太阳大很多。图片来源：N.R.Fuller(National Science Foundation)

     3.智利亚毫米波望远镜ALMA探测到的最远星光

     图3：这是目前认证最远星系的图像，星光来源于宇宙大爆炸后的2.5亿年[3,4]。

    

     图4：位于智利海拔5000米高原上的世界最强大亚毫米波望远镜——ALMA，图片来源：ESO

     璀璨星光——“少年”时期的宇宙问天1.宇宙的大尺度结构形成(繁荣的宇宙城)

     图5左图：在宇宙原初随机扰动下演化形成的大尺度结构宇宙网(Millenium Simulaiton)；右图：随机扰动下的游泳池纤维网，此图也可叫做Zeldovich的透镜，与宇宙网的成因有异曲同工之妙(见[11])。

    

     图6：光主导图像和质量主导图像对比 ，星系之间由宇宙网相连接，图片源自引文[6]，略有改动。

     2.环境对星系演化的重要作用

     图7：左图为艺术家和科学家合作的星系与环境生态系统。右图为观测实例: 远超暗物质晕尺度的超大星云，这样的大星云可能是我们对宇宙网直接成像的早期尝试[5]。

    

     图8：最新的数值模拟[10]显示，随着时间的推移(从左到右)，金属(不同颜色)会被星系逐渐抛出到宇宙中，星系对周边环境加热，宇宙中的金属含量增加。

     归于宁静——今日的宇宙“黄昏”问天

     大爆炸40亿年以后到今天，宇宙开始形成“特大城市群”(几亿光年尺度的宇宙“长城”结构)。但这些特大城市群的星光却没有原来璀璨。原因是很多星系停止了剧烈的恒星形成，颜色开始变得“夕阳红”。星系周围环境被进一步加热，有很多物质在光学波段神秘地消失了(图9)。

     对此，科学界比较认可的一种理论解释是：这些物质被加热到了之前鲜有探测的紫外和X射线波段(图9)。科学家们也有计划探索这一时期的物理过程：利用更灵敏的高能光子探测手段，把这些“丢失”的物质找回来。

     在更大的宇宙尺度上，物质密度进一步降低。一种神秘的量子真空能量(暗能量)逐渐占据主导地位，驱动了宇宙加速膨胀。但至于暗能量如何演化，未来宇宙命运如何，一切还尚未得知。

    

     图9：我们银河系的巨大暗物质晕里可能蕴藏着大量释放X-射线的热气体，这些气体在光学不容易被探测。图片修改自引文[7]中的图。

     图10：安装欧洲8.2米望远镜的成像光谱仪MUSE，它可对星系及环境进行全面普查，是目前光学探测灵敏度最高的仪器之一。

    

     图11：笔者利用大双筒望远镜(LBT)得到的红外光谱数据实例。天文探测信号常常比背景低几个数量级。天文对低信噪比信号处理要求高，方法丰富。相关技术可应用于需要低信噪比探测的其他军民等学科。天文学可与这些学科深入融合，共同发展进步。

     共同解开宇宙之谜的展望问天

     由于过去二十年的全波段大型观测设备，及理论、数值模拟的迅速发展 ，人类对于早期宇宙已有了初步的认识。但我们只是窥见了早期宇宙极小的部分，尚属冰山很小的一角。巨大而极丰富的宝藏还在水面以下。

     现今来看，我们对宇宙的认知还远远不够，对很多关键问题更是一无所知。比如宇宙第一代恒星、星系何时形成？最早的星系团如何形成、演化？新观测是否与大爆炸宇宙学等现有宇宙学理论模型符合？星际介质中气体的金属含量何时、如何升高？其状态、温度、动力学如何影响星系演化？如何探测更大尺度上的宇宙网，它们的状态、分布是否与我们预期一致……这些皆是未解之谜。国际上已就这些前沿问题布局了力量和设备，但仍遗留了一些空白的重要参数空间。我们仍可在这些空白之处进行准备，与国际同行一道，尽早解答这些未解之谜，共同推进人类对于宇宙的认识。

     作者简介：

     蔡峥，天体物理学博士。2008年本科毕业于中国科学技术大学，2015年获亚利桑那大学博士学位。目前为加州大学圣克鲁兹分校Hubble Fellow，研究方向为高红移星系、星际介质，并深入参与国际三十米望远镜宽视场光谱仪的预研。

     参考文献：

     [1]. Sobral, D. 2015; ApJ, 808, 19S

     [2]. Shibuya, T. 2018, PASJ, 70S, 15S

     [3]. Zheng, W. 2012, Nature, 489, 406-408

     [4]. Takuya H. et al. 2018 Nature 557, 392-395

     [5]. Cai Z. et al. 2017, ApJ, 837, 71

     [6]. Cantalupo et al. 2014, Nature, 506, 63C

     [7]. Vavra, J. 2013, arXiv: 1304.0833

     [8]. A report on the Kavli Futures Symposium organized by NOAO and LSST https://arxiv.org/pdf/1610.01661v1.pdf

     [9]. Cai, Z. et al. 2017; ApJ; 839; 131

     [10]. Schaye, J. et al. 2015, MNRAS 446 521

     [11]. Shandarin & Zeldovich, Review of Modern Physics, 1989 Vol. 61

     来源：知识分子

     知识分子为更好的智趣生活ID：The-Intellectual

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     编辑：loulou

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