本期文章

第一道星光 劃破黑暗時代

撰文/撰文/雷蒙尼克(Michael D. Lemonick)翻譯/李沃龍    

宇宙的第一代恆星與星系完全不像我們今天所見的天體,天文學家企圖「回溯時光」,研究宇宙最早天體的起源。
重點提要

■宇宙的第一代恆星與星系完全不像我們今天所見的天體,天文學家企圖「回溯時光」,研究宇宙最早天體的起源。

■「再游離化」是指光游離了當時瀰漫在宇宙裡的中性氫,天文學家對於再游離化的原因特別感興趣。

■觀測數據與電腦模擬顯示,具有上百萬太陽質量的恆星或能噴出氣體的巨大黑洞,可能是推動再游離化的天體。

大約138億年前,或更詳細地說是在大霹靂後約40萬年,宇宙突然陷入無盡的黑暗之中。在那一刻之前,整個宇宙是一團高溫、炙熱而翻騰不止的電漿──包含質子、中子與電子的緻密氣體雲。假如有人能在當時觀察整個宇宙,會發現它看來就像一團燦爛奪目的濃霧。

大霹靂後38萬年,宇宙經歷了難以想像的明亮,膨脹中的宇宙持續降溫、濃霧消散,直到足以形成氫原子,這個事件稱為再複合(recombination)。隨後萬物遁入黑暗之中,宇宙進入了天文學家所謂的黑暗時代。

那是名副其實的漫漫長夜。即便第一代恆星開始發光,它們最耀眼的光其波長全都落在光譜的紫外線波段,那正是剛形成的氫氣最容易吸收的光。宇宙用它最初高溫、絢爛的濃霧,換來一片淒冷的黑霧。

這片黑霧最後消褪了,但是究竟為何消褪,卻是個長期困擾天文學家的問題。這或許是由第一代恆星完成,因為在一個稱為「再游離化」(reionization)的過程中,恆星發出的強烈光線緩慢但持續地擊破氫原子。此外,再游離化所需的能量,也可能來自高溫氣體墜入巨大黑洞時產生的輻射。

毫無疑問地,要明瞭再游離化何時與如何發生的關鍵,就是找尋宇宙中最古老的天體,並梳理出它們的來源與本質。第一代恆星何時開始發光?它們的樣貌為何?個別恆星是如何聚攏組成星系,並且幾乎在每個星系的核心區域都可發現超大質量黑洞,那些星系又是如何形成黑洞?再游離化究竟是在恆星到星系、再到黑洞過程之間的哪個時刻發生?而這個過程是逐步或瞬間達成?

自1960年代起,天文物理學家便開始思考這類問題。但直到最近,天文望遠鏡與電腦模型的功能大增,才足以提供部份解答:後者模擬宇宙第一代恆星的出現與演化,而前者則蒐集大霹靂後五億年內的微弱星光證據,那個時段正是第一代星系的襁褓期。


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