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为什么我们看不到宇宙中第一批恒星?

为什么我们看不到宇宙中第一批恒星?

谁能数得清天上的星星?谁能说出它们对世界的影响?”——詹·汤姆逊

夜空为什么是黑暗的?

想象一下我们熟知的夜空!在远离城市,一个没有月亮的夜晚;在一个你见过的最黑暗的地方。或许你曾经躺在草地上,凝望过天空。你抬头望去,空气凉爽,天空晴朗,一点云也没有。这时你能看到什么?

夜空中有行星,有明亮和暗淡的恒星,甚至有银河横跨天空。但是,夜空中最引人注目的并不是那些星星点点的光亮,而是这样一个事实:在你几乎能看到的每一个地方,天空本身是黑暗的。这是为什么呢?

你可能觉着这就不是个问题,夜晚的天空本身就是黑暗的!如果你仔细思考一下,黑暗的夜空才是问题的所在!

如果宇宙中真的充满了星星,在各个方向上都有光点,无论你朝哪个方向看,你的视线最终都会落到一颗星星上。

如果是这样的话,我们在任何方向上看到的夜空都不应该是“黑暗”的。最终,天空的每个点都会充满光亮,不管那个恒星、星系或其他光点离我们有多远。

这其实是19世纪最伟大的悖论之一:奥博斯悖论,它表明了无限的宇宙(空间、时间)充满了无限数量的星星,它们散布在整个宇宙中与我们在地球上看到漆黑的夜空这个事实是不相容的。

当然,这个悖论的解决方案是:宇宙的年龄是有限的,当我们观察遥远的宇宙时,我们实际上是在回顾过去,因为宇宙是在一个炽热,稠密,更均匀的早期状态中发展而来的,在此之前,宇宙中没有任何恒星,因为万有引力需要一段时间才开始将原始气体坍缩成恒星。在一定的距离之外,我们甚至连一颗星星都看不到。

为什么我们看不到宇宙中第一批恒星?

大爆炸之后,宇宙的状态是又热又密又均匀,但同时也在膨胀和冷却。到宇宙38万年的时候,已经冷却到足以第一次形成中性原子。但我们要看到宇宙早期的任何物体都需要面临两个阻碍:

在宇宙创造出任何发光的物体之前,我们什么都看不到。这很好理解,没有东西发光,肯定什么也看不到。

即使有了发光的物体,宇宙也需要变得对可见光透明。意思是,就算有了发光的物体,如果有什么东西阻挡光线,我们还是看不见。

尽管这两个问题(第一批恒星的形成和宇宙变得透明)经常被合并在一起,被称为宇宙的“黑暗时代”,但它们是宇宙需要解决的两个独立的问题。

首先,在宇宙第一次形成恒星之前,我们根本看不到任何物体。虽然宇宙一开始几乎是完全均匀的,但也存在一些微小的缺陷,包括一些区域一开始的物质略多于平均水平。随着时间的推移,万有引力将越来越多的物质拉入这些密度过大的区域,使它们形成物质团块。

这个过程需要数千万年的时间,但经过足够长的时间后,这些物质团块变得足够大,引力开始使物质在自身的引力作用下崩塌。当原子和分子团的核心变得足够稠密时,核聚变的过程(将氢燃料聚变成氦)终于可以发生了!

首先启动核聚变的这些位置就成为了宇宙中的第一批恒星,它们发出炽热而明亮的光芒,产生了自大爆炸以来宇宙的第一束可见光。

这发生在宇宙诞生后的5000万年,对于宇宙年龄,甚至是恒星年龄来说,这是一个非常短的时间。但有一个问题:这些星星对我们来说都是看不见的!

上图中的“黑暗星云”是巴纳德68分子云,其背后的恒星也在发光!但这个星云之所以看起来如此黑暗,是因为来自恒星的光被挡住了!为什么会这样?因为星云中存在的原子和分子的物理大小正好可以吸收可见光,因此看起来不透明。

虽然单个原子本身只有特定的原子跃迁可以吸收可见光,但是当原子以各种复杂的结构结合在一起时,它们实际上可以阻挡整个可见光光谱。这种不透明正是第一批恒星形成时的情况:宇宙会产生光,但它无法进入我们的眼睛。那么我们如何才能摆脱这种困境呢?

必须电离那些中性原子!或者更具体地说,宇宙必须重新回到电离状态,因为中性原子曾经被电离过一次:回到它们变成中性之前。也就是宇宙38万年之前。

但这个过程不会很快的发生,这是一个需要数十亿颗恒星形成、发出紫外线、电离辐射,并撞击宇宙中99%以上的中性原子的过程。这是一个渐进的过程,大约需要5.5亿年才能完成!

之前我们一直认为宇宙的再电离(也就是宇宙在可见光下变得透明的最后阶段)发生在大爆炸之后的4.5亿年,但这个额外的1亿年是由普朗克卫星的观测重新确定的。但是这并不意味着,宇宙中最古老的恒星形成的时间比我们之前认为的要晚1亿年。

第一批恒星形成的时间比我们能够看到它们的时间要早得多,而且当时的第一批恒星也没有足够的能量来重新电离整个宇宙,让其对可见光透明,直到5.5亿年后星星太对我们变得可见。

总结

在宇宙中,想看到第一批恒星“有光线”是不够的,我们还需要让光能够自由地在太空中旅行!在可见光下,我们没有办法看到最早的恒星:不管哈勃太空望远镜有多强大,不管它盯着天空多长时间,它将永远看不到第一批恒星,因为宇宙对可见光来说是不透明的。

但希望还是有的,詹姆斯·韦伯太空望远镜有潜力将这一希望变为现实。

因为尘埃原子和分子的结构可能对波长较长的光是透明的,通过观察较长波长的光,尽管哈勃无法看到这些恒星,但詹姆斯·韦伯(James Webb)将能够看到红外线波长,能够看到宇宙对可见光不透明的所有时代。换句话说,在未来几年内,韦伯望远镜升空以后,我们也许能够探测到宇宙中的第一批恒星。

宇宙中的第一颗恒星可能在一段时间内是看不见的,但那是我们眼睛的错,不是恒星的错!

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