128億年前,宇宙是如何被「點亮」的?科學家還原宇宙歷史

大約138億年前,我們的宇宙通過大爆炸誕生,它經歷了漫長的歲月,演化成了今天的模樣。

剛誕生的宇宙,并不像今天這樣充滿了各種各樣的天體。在剛誕生的前10億年時間里,宇宙一直處于各種各樣詭異的狀態。

大爆炸的初期,整個宇宙的溫度高得驚人,以至于電子和質子都無法結合成原子。一直到了38萬年后,宇宙溫度才低到原子可以形成。這個時候,光子才終于有機會自由傳播,形成了宇宙中的第一道光,也就是今天的宇宙微波背景輻射。

可是,這些光線并沒有自由太久,宇宙就再一次黯淡了下來,這就是宇宙的黑暗時期。這是因為,當時所有的質子和電子都結合成了穩定的中性氫原子,這些原子不帶電,無法相互吸引,所以就穩定地分布在宇宙空間中,也不會產生新的光子。

直到后來,因為極少數不安分的原子出現了電離,正負電荷相互吸引,形成了局部物質的聚集,從而通過引力吸收更多物質,形成了宇宙中最早的恒星和星系。第一批恒星非常巨大,它們的強烈輻射引起了更多的電離現象,最終波及到整個宇宙。宇宙各個角落的氫原子都可能被電離、形成新的恒星,整個宇宙被點亮,這就是宇宙的再電離時期。

根據目前的研究,天文學家認為,在大爆炸的5000萬年后,宇宙的再電離時期開啟。大爆炸的1.5億年后,第一批恒星的紫外線讓宇宙各個角落的中性氫都得到了電離的機會,整個電磁輻射的光譜也終于可以自由移動。一直到10億年后,也就是距今128億年前,再電離時期正式結束。

別看我們描述得好像很精細,但對于宇宙的黑暗時代和再電離期,天文學家們還有很多不了解的地方。而且,人類目前的觀測設備對于這段歷史都有些無力,這就更讓天文學家對這段時期的歷史無從了解了。

要知道,我們對任何目標的觀測,都是基于電磁波的探測。然而,從黑暗時代到很大一部分的再電離期,電磁波都難以在宇宙中穿行,這給人類的觀測帶來了更大的困難。盡管引力波也是一種研究方式,但人類的引力波研究才剛剛起步,很難破解巨大的宇宙謎題。

天文學家也不是完全沒有辦法,雖然不能在實驗室里重現這段歷史,但憑借著計算機的強大計算力,他們還是可以進行模擬的。美國的一支科學團隊最近利用一臺名叫SuperMUC-NG的超級計算機對宇宙的再電離期進行了模擬,值得一提的是,這臺計算機是由中國的聯想公司打造的,是世界上最強大的超級計算機之一。

研究人員從宇宙大爆炸后40萬年的時間開始,在3億光年的尺度下對宇宙進行模擬,一直模擬到大爆炸10億年后,他們將這段時期命名為Thesan,這是伊特魯里亞的神話中黎明女神的名字,這也符合人們將這段時期稱作「宇宙的黎明」的習慣。

他們利用這臺強大的超級計算機,進行了相當于3000萬個CPU小時的模擬,這也是迄今為止最詳細的一次對宇宙再電離時期的建模。他們從宇宙中第一個星系的形成開始模擬,捕捉到了比模擬范圍小100萬倍的物理學細節。

并且,他們還使用了新的算法,重點關注了再電離時期宇宙中的光子與宇宙中的氣體及塵埃的相互作用,這個過程可以說是非常復雜的。通過這次模擬,研究人員對早期的星系形成及其與宇宙氣體之間相互作用的方式有了全新的了解。通過本次模擬,科學家們展示了我們的早期宇宙是如何隨著光線的滲入而變化的。

來自麻省理工學院科維理天文與天體物理研究所的物理學家Aaron Smith做了一個比喻:「這就有點像是制冰盒里的水,當你把它放到冰箱里的時候,的確不會馬上結冰;但過一會之后,它的邊緣就會開始凍結,并逐漸蔓延到內部。這和早期宇宙中的情況是完全一樣的,在一個電中性、黑暗的宇宙中,從第一批星系中開始出現光亮,于是它就被點亮并電離了。」

而且他們發現,在宇宙再電離期的開始階段,光在宇宙中還不能說是完全自由地傳播,其傳播距離通常不會太遠。一直到了再電離期的最后階段,光才可以穿梭很遠的距離。

研究人員還發現,不同類型的星系對宇宙的再電離起到了不同的作用,而且影響的意義巨大。尤其是那些質量巨大的星系,在這個過程中扮演的角色尤為關鍵。

那麼,這一次模擬到底正不正確呢?

沒人知道,因為這終究是模擬,最終還需要實際的觀測研究來證明。去年年底剛剛升空的詹姆斯·韋布太空望遠鏡,就有這樣的能力來驗證本次模擬的準確性。它可以觀測到136億光年以外的宇宙,也就是宇宙大爆炸的僅僅2億年后,也就是說,它可以觀測到再電離時期的大部分階段,它的觀測數據將驗證本次研究的正確與否。

你可能要問了:那要是兩次研究的結果不一樣怎麼辦?

研究人員表示:如果模擬結果被證明是錯誤的,那麼韋布將會取得一個新的重大發現,刷新我們對宇宙的認知,這不也是好事嗎~


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