宇宙黑暗时期是如何终结的？

走出黑暗时期

我们的宇宙从诞生至今，经历了许多个重要的时期。当我们试图回溯宇宙的历史时就会发现，越靠近大爆炸的时刻，我们对宇宙的了解就越有限。

目前普遍认为，在大爆炸后的38万年里，宇宙是一个由亚原子粒子组成的高温、致密的熔炉。在此之后，宇宙逐渐冷却，足以让质子和电子结合在一起，形成中性氢原子。接着，宇宙便陷入了一段沉闷的“黑暗时期”。当时的宇宙没有任何光源，充斥着中性气体。

黑暗时期一直持续到气体在某些地方坍缩，并形成宇宙中的第一批恒星。起初，第一批恒星发出的紫外光并没有传播很远，因为大部分光都被弥漫在宇宙中的气体吸收或散射了。这就导致宇宙就像一个雾蒙蒙的森林，只有昏暗的光点零星闪烁，光源也只能在很短的距离内可见。

然而，随着越来越多的恒星形成，它们产生了足够的光，通过“再电离”气体，将雾驱散——创造出了我们今天所看到的点缀在宇宙中的明亮光点。

大爆炸后的38万年后，宇宙进入了黑暗时期，直到第一批恒星的出现，才点亮了宇宙。（图/Carnegie Institution for Science, MPIA）

但究竟是哪些恒星产生的光终结了黑暗时期，并触发了所谓的“再电离时期”呢？在一项新发表于《自然》杂志的研究中，天文学家发现可能是那些比银河系小得多的矮星系中的恒星，触发了再电离的过程。

两种观点

大多数天文学家都认可，星系是导致宇宙出现再电离的主要力量，但他们尚不清楚星系是如何做到的。

我们知道星系中的恒星应该会产生大量的电离光子，但这些光子需要先逃离自己星系内的尘埃和气体，然后才能电离星系际空间中的氢。天文学家不清楚的是，什么样的星系能够产生和发射足够的光子来完成这项工作。

一种观点认为，是大质量星系产生了电离光子。在早期宇宙中，这样的星系并不多，但每个星系都会产生大量的光。因此，如果有一部分光成功逃逸，可能就足以使宇宙再电离。

另一种观点认为，我们更应该关注早期宇宙中的那些数量庞大但小得多的星系。虽然每一个这样的星系所产生的电离光子要少得多，但凭借数量优势，它们可以推动再电离时期的到来。

宇宙放大镜

试图对宇宙早期进行任何观测都是非常困难的。大质量星系很少见，所以很难找到。较小的星系虽然更常见，但它们非常暗淡，使得获取高质量数据变得异常困难和昂贵。

在新研究中，为了寻找那些最暗淡的星系，研究人员利用了宇宙中的一个“天然放大镜”：一个距离地球约120万秒差距的星系团——潘多拉星系团。潘多拉星系团的巨大质量会扭曲空间，使经过的光会发生偏折，从而放大了从地球上观测到的任何位于它后方的光源。

通过使用韦布空间望远镜（JWST），研究人员观测了位于潘多拉星系团背后的暗淡星系的（被放大的）红外图像。他们首先观测了许多不同的星系，然后选择了8个再电离时期的矮星系。这些星系是从那个时期所观测到的最暗淡的天体。

潘多拉星系团放大了这两个最遥远的星系。（图/NASA / ESA/ CSA / T. Treu）

是矮星系吗？

利用JWST收集到的数据，研究人员证实了这些小星系的确存在于宇宙早期。更重要的是，他们还证实了这些星系所产生的电离光，超过了理论预测的标准值的4倍。由于这些星系产生了如此多的电离光，因此只需有一小部分逃逸就能再电离宇宙。

在此之前，天文学家认为如果这些较小的星系是再电离的主力军，那么大约需要20%的电离光子逃逸到星系际空间，才可以电离整个宇宙。但新的数据表明，只要5%就足够了——这个数字大约与从现代星系逃逸的电离光子的比例相同。

这样的结果表明，这些较小的矮星系可能在再电离时期扮演了非常重要的角色。不过，这项研究是仅基于8个星系展开的，而且这些星系都靠近一条视线。因此，若要进一步确认这一结果，还需要对天空的不同部分进行观测。

#创作团队：

编译：不二北斗

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07043-6

https://www.nature.com/articles/d41586-024-00594-8

https://theconversation.com/what-ended-the-dark-ages-in-the-early-universe-new-webb-data-just-brought-us-closer-to-solving-the-mystery-224525

#图片来源：

封面图&首图：NASA / ESA / CSA / Ivo Labbe (Swinburne) / Rachel Bezanson (University of Pittsburgh) / Alyssa Pagan (STScI)