我们现已知晓宇宙之初“点亮光明”的触发因素

我们现已知晓宇宙之初“点亮光明”的触发因素# 我们现在知道是什么在宇宙之初点亮了光明
发布于空间领域 – 2025年5月26日 作者：米歇尔·斯塔尔
图注：阿贝尔2744的视场。（美国国家航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局、I. 拉贝/斯威本科技大学、R. 贝赞森/匹兹堡大学、A. 帕甘/空间望远镜科学研究所）

我们终于知道是什么给早期宇宙黑暗无形的虚空带来了光明。
根据哈勃和詹姆斯·韦布空间望远镜的数据，早期宇宙黎明中自由飞行的光子起源于一些小型矮星系，这些星系突然活跃起来，驱散了弥漫在星系间空间的朦胧氢气迷雾。一篇关于这项研究的论文于2024年2月发表。
巴黎天体物理研究所的天体物理学家伊雷娜·切梅林斯卡说：“这一发现揭示了超暗星系在早期宇宙演化中所起的关键作用。”
“它们产生的电离光子在宇宙再电离过程中将中性氢转化为电离等离子体。这凸显了了解低质量星系在塑造宇宙历史中的重要性。”

在宇宙之初，大爆炸发生后的几分钟内，空间充满了炽热、致密的电离等离子体迷雾。当时极少的光线无法穿透这片迷雾；光子只会从周围漂浮的自由电子上散射开，实际上使得宇宙一片黑暗。
随着宇宙冷却，大约30万年后，质子和电子开始结合形成中性氢（以及少量氦）气体。
大多数波长的光可以穿透这种中性介质，但几乎没有光源来产生光。但是从这些氢和氦中，第一批恒星诞生了。
这些第一批恒星发出的辐射足够强大，能够将电子从原子核上剥离，使气体再次电离。然而，此时宇宙已经膨胀得非常大，气体变得很稀薄，无法阻止光线向外闪耀。
大约在大爆炸后10亿年，即所谓的宇宙黎明时期结束时，宇宙完全被再次电离。瞧！光明到来了。

但由于宇宙黎明时期有太多的迷雾，而且它在时间和空间上如此昏暗遥远，我们很难看清那里有什么。
科学家们曾认为，负责大部分驱散迷雾工作的源头一定很强大，比如巨大的黑洞，其吸积过程会产生耀眼的光芒，以及处于恒星形成阶段的大型星系（新生恒星会产生大量紫外线）。
詹姆斯·韦布空间望远镜的部分设计目的就是窥视宇宙黎明，试图看清其中隐藏着什么。它非常成功，揭示了关于我们宇宙形成这一关键时期的各种惊喜。令人惊讶的是，该望远镜现在的观测结果表明，矮星系是再电离过程中的关键角色。
图注：一张詹姆斯·韦布空间望远镜的深场图像，其中一些被研究人员确定为再电离驱动源的天体。（哈基姆·阿泰克/索邦大学/詹姆斯·韦布空间望远镜）

由巴黎天体物理研究所的天体物理学家哈基姆·阿泰克领导的一个国际团队，研究了詹姆斯·韦布空间望远镜关于一个名为阿贝尔2744的星系团的数据，并以哈勃望远镜的数据作为补充。
阿贝尔2744密度极高，其周围的时空发生扭曲，形成了一个宇宙透镜；任何通过这个时空传播到我们这里的遥远光线都会被放大。这使得研究人员能够看到接近宇宙黎明时期的微小矮星系。
然后，他们使用詹姆斯·韦布空间望远镜获取了这些微小星系的详细光谱。他们的分析显示，这些矮星系不仅是早期宇宙中数量最多的星系类型，而且比预期的要亮得多。
事实上，该团队的研究表明，矮星系的数量比大型星系多100倍，它们的总辐射量是通常认为的大型星系电离辐射的四倍。
阿泰克说：“这些宇宙能量源共同释放出的能量足以完成这项工作。”
“尽管它们体积微小，但这些低质量星系是高能辐射的多产者，在这一时期它们的数量如此之多，以至于它们的集体影响可以改变整个宇宙的状态。”
图注：阿贝尔2744的视场。这张图像中大约有50,000个近红外光源。（美国国家航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局、I. 拉贝/斯威本科技大学、R. 贝赞森/匹兹堡大学、A. 帕甘/空间望远镜科学研究所）

这是关于再电离背后力量的最佳证据，但还有更多工作要做。研究人员只观察了天空中的一小片区域；他们需要确保他们的样本不仅仅是一群异常的矮星系，而是宇宙黎明时期所有星系的一个有代表性的样本。
他们打算研究更多天空中的宇宙透镜区域，以获得更广泛的早期星系样本。但仅就这一个样本而言，结果就令人兴奋不已。自从我们知道再电离现象以来，科学家们就一直在追寻答案。我们终于即将拨开迷雾。
澳大利亚斯威本科技大学的天体物理学家塞米娅·纳纳亚卡拉说：“我们现在借助詹姆斯·韦布空间望远镜进入了未知领域。”
“这项工作提出了更多令人兴奋的问题，我们在绘制宇宙起源演化历史的努力中需要回答这些问题。”
这项研究已发表在《自然》杂志上。
本文的一个版本最初于2024年3月发表。