文明之尖 第一章 宇宙的开始

宇宙很大，但也很小，光速在宇宙中算是乌龟速度，暗物质，暗能量，空间等秘密，在下一一为大家解答

无数亿年前，宇宙发生大爆炸，迄今为止，我们知道的东西并不多

宇宙初期：一些原子和分子互相碰撞聚结为第一批星体，这些星体发出的辐射又开始剥离周围原子的电子，这一时期又称为“再度电离”的时期。大爆炸后，宇宙瞬间充满了大量眩目的、炽热的电子和氢离子以及氦离子。炽热意味这些粒子具有非常大的能量，所以不能结合为中性的原子，宇宙需要38万年才能冷却到足以使电子和离子重新结合。

刚刚平静下来时，眩目的热辐射烧毁了所看到的一切，热辐射来自何方，依然是宇宙史上空白的一页。“这无疑是威尔金森微波背景辐射各向异性探测器(WMAP)最激动人心的一个发现。”这也许是一个夸大的断言，但坎布里奇大学的天体物理学家J·奥斯特列克却不承认失言。去年，检验了大爆炸留下的辐射的WMAP有了关于宇宙中的一个惊人发现。

大爆炸后，宇宙瞬间充满了大量眩目的、炽热的电子和氢离子以及氦离子。炽热意味这些粒子具有非常大的能量，所以不能结合为中性的原子，宇宙需要38万年才能冷却到足以使电子和离子重新结合。宇宙初期，一些原子和分子互相碰撞聚结为第一批星体，这些星体发出的辐射又开始剥离周围原子的电子，这一时期又称为“再度电离”的时期。

再度电离

但根据WVIAP的分析，再度电离化开始于宇宙形成后仅2亿年时。按照WMAP的设计师之一、新泽西州普林斯顿大学D·斯帕吉尔的看法，这比以前天文学家大多推测的要早7亿年左右。

这一结果让理论工作者忙着去寻求解释:初期宇宙潜藏着什么东西，能够有足够的能量使其气体离子化?虽然天文学家最初一直猜想是第一批星体，现在却开始怀疑有其他某种解释。会不会是第一批黑洞?甚至是否可能是暗物质?

找到这些问题的答案一定会填补宇宙史的空白。按照圣克鲁斯加利福尼亚大学P·麦道的看法，宇宙的初期是决定性的时期。“再度电离决定着随后发生的一切，”他说。

例如，考虑如何再度电离就能确定星系的大小。最终结合为星系的物质必须冷却以后才能聚结成星系—太过炽热，其组成就会跳动得十分剧烈，所以引力就不能把它们结合到一起。由于再度电离会加热一切，因此除非引力足够强大，否则无论什么都难于结合到一起。因此银河前云团在有强烈的电离辐射下能聚结为星系的唯一可能，就是其规模十分大，因而其引力能克服推斥的能量。

宇宙初期

那么，以前科学工作者估算的再度电离的起始时间何以如此离谱呢?首先，我们原先考虑和了解的一切都是以推论为基础。估算都是以分析遥远的类星体发出的光为基础，这些类星体的能量是由把物质转变为辐射的黑洞提供的。但是能显示再度电离时期的类星体只是在大爆炸后大约10亿年才形成。推断要多长时间才能形成第一批星体——第一批可能的再度电离辐射源——始终是非常棘手的问题。WMAP让我们首次有可能回溯到很远。”斯帕吉尔说。

尽管WMAP不能直接看到第一批星体，但它能度量后者对宇宙微波背景的光子的极化效应(大爆炸剩留的辐射)。正是由于这个效应，WMAP才能确定开始再度电离的年代。

最有可能引起再度电离的，一定是这第一批星体。它们应是由当时仅有的氢和氦组成的(天文学家称为“金属”的，较氦重的元素直到后来被铸成星体的核心时才存在)。但是这些星体一定得很巨大—要大到引力足以克服热气流的压力。宾夕法尼亚州立大学的T·阿贝尔对这些星体的形成进行了计算机模拟，发现第一批星体应十分巨大:约为30至300太阳质量的数量级。

根据哈佛天体物理学家罗伊布的估算，这些星体的表面温度应为1000000K，这样的强热足以产生大量紫外光子，后者能剥离氢分子的电子。100太阳质量左右的星体能电离1000万太阳质量的氢，“这就是说，只要宇宙全部气体的1/100000转化为这样的星体就可使一切离子化，罗伊布说。”

尽管这些星体貌似想象中的引发再度电离的源头，但这一设想仍然存在很大的问题。这些庞然大物虽然能引发再度电离过程，但它们或许不能一直进行到把初期宇宙中的一切物质全部离子化。这是因为它们的电离能会阻碍形成更多的星体。

巨大的星体会分裂，并使周围所有的氢分子离子化。然而氢分子对于星体形成过程至关重要，它是主要的冷却剂。故一旦出现第一批星体，到相当数量的其他星体形成使宇宙中全部的(至少相当大的一部分)剩余气体再度电离，其间会有相当的滞后。

即使在阿贝尔的模拟中，似乎说明最早的一批星体可能出现在大爆炸以后仅1亿年，当时(WMAP的数据表明宇宙已再度电离)全然不足以使宇宙再度电离。“还需要别的东西来做完这件事，”斯帕吉尔说。

那么“别的”是什么东西呢?或许它就是在第一批星体消失时形成的黑洞。发表于《天体物理学杂志》的论文中，坎布里奇大学的麦道和里斯等人认为，100太阳质量或更大质量的黑洞应是比星体大得多的电离辐射源。麦道说“如果没弄错的话，相对于星体来说，在辐射方面黑洞占绝对优势。”

黑洞编辑语音

为求可靠起见，我们首先必须了解是否到处有足够的这种黑洞。这取决于这些初期星体的质量。

天体物理学家早就知道巨大的星体会坍缩形成黑洞。但有些星体会一下子突然死亡，破裂为超新星。德国马普研究院的谢亚迪认为，如果第一批巨星在40-140太阳质量之间，或大于260太阳质量的星体，当其死亡时就会形成黑洞。而140至260太阳质量之间的星体就会破裂为超新星。

然而要确定第一批星体的精确的质量分布却十分困难。这要求强化模拟，利用形成星体的气体的云团，跟踪从星体的生成到死亡的演变过程。不过可以用其他的一些方法来搜集信息。定于今年晚些时候进入轨道的快速X射线望远镜会提供关于第一批黑洞丰度的信息。它将证实每年约有100个r射线爆裂，有些发生于宇宙十分年幼时。最近的看法认为，每一次爆裂就标志形成了一个新的黑洞。“如果第一批星体形成黑洞，那么我们完全有可能用快速x射线望远镜看到它们。”阿贝尔说。

哈勃望远镜的第二代，詹姆斯·韦布太空望远镜定于2011年发射升空，它将能发现由第一批星体生成的超新星。“我们无法看到第一批星体本身，哪怕它们比太阳明亮百万倍，”阿贝尔说，“如果超新星比太阳明亮10亿倍，情况就完全不一样。”

这些观测有助于我们了解坍缩形成黑洞的第一批星体所占的比例。到那时候，我们也就会得到宇宙射频观测的其他线索。中性的氢分子发出波长为21cm的辐射，但由于宇宙的膨胀红移至较长的波长，继续下去更是如此——因此回溯的时间更远。这可以揭示再度电离的多种细节。首先，它可以让我们了解产生离子化辐射的情况(主要由类星体引起离子化的宇宙)，看来完全不同于主要由星体引起离子化的宇宙。这是因为类星体发射出X射线，而后者比由巨星体产生的紫外线传得更远，更均匀地扩散到宇宙中去。所以类星体较之星体会产生更大的离子化区域。

“是否可把宇宙想象成瑞士干酪，”奥斯特列克说，“紫外线首先会使孔(星体周围的光亮点)离子化，而X射线则往往使干酪—其间大得多的低密度区离子化。”通过氢辐射的射电观测可揭示初期宇宙离子化区域的大小和分布，有助于回答离了化主要是由星体还是由类星体造成的问题。

通过观察中性氢分子不同红移的丰度，天文学家可以获得迅速发生再度电离的清晰图像。这可以说明中性氢分子的信号随着时间的推移而逐渐减弱，表明也会逐渐出现再度电离。反之，如果中性氢分子的信号迅速跌落至零，那就表明可能出现两个分开的再度电离的峰，甚或多个峰。

“可能有各种不同的变化，我们不知道哪一种是正确的，”罗伊布说。但是我们可以比较快地得到某些答案:例如，今后10年内，荷兰的覆盖1平方公里的射电望远镜阵列会源源不断地提供各种数据。但还有若干问题有待天文学家解决，方能确定星体和黑洞在再度电离中的重要性。如初期的类星体如果周围没有足够的气体进入其中的黑洞，那么它就不会发光，现在还没人能保证有足够的“食物”来供应这些“饿兽”。

WM.AP的测定结果还是有一些值得商榷的不精确性。尽管该研究组确信再度电离开始于大爆炸后的2亿年，但数据的误差范围就意味着可能发生在大爆炸后1亿年至4亿年之间。如果再度电离早在大爆炸后的1亿年发生，宇宙学家就会用全新的物理过程来解释它，因为看来在那么早的时期无论如何不会有足够数量的星体或黑洞等通常的离子化源引起再度电离。

一个可以接受的解释乃是某种暗物质的衰变。物理学家认为，再度电离可能是由比正常的中微子重千万倍的中性重中微子的衰变所引起的，但问题在于没有人敢肯定这种中微子的存在。WMAP研究组正在对数据进行更精细的分析，普林斯顿大学的佩奇说，不久他们可望准确地说明再度电离开始于大爆炸以后1.5亿至2亿年间的某一时段，从而证实他们最近的实验结果。

迄今为止，WMAP查明的其他一切——关于暗物质、暗能量、宇宙年龄和宇宙状态—“非常接近我们的推测”，奥斯特列克说。但是所取得的有关再度电离的数据已经对我们关于宇宙初期的描述提出了质疑:宇宙初期的布局究竟是怎样造成的?一旦获得新的数据，就可弥补某些我们理解的缺陷，最终天文学家和宇宙学家就能够书写明确的宇宙史了。

利用巨型望远镜，天文学家发现了一个遥远的恒星工厂。在那里，每10小时就有诞生。这个恒星托儿所围绕在一个超大黑洞周围。该黑洞释放出巨大的能量。这一发现为一个相对较新的观点提供了证据，即黑洞和星系是在宇宙诞生初期共同成长起来的。

根据这一描述，黑洞的最初形成应伴随着大量恒星的诞生，但是到目前为止，这一点很难证实。许多距离我们很远的类星体——发光的各个星系，原来被认为是由大的中央黑洞来提供能量——如今则认为其中含有暖尘埃。这些暖尘埃在红外线波长时发光。但目前尚不清楚的是，这种尘埃的加热靠的是物质吸入黑洞时产生的能量，还是新生恒星的辐射。

模拟编辑语音

美国圣弗朗西斯科大学卡罗斯·蒙图法尔博士指出，2007年实验室的实验将在欧洲由美国、日本和俄罗斯的科学家共同协作完成，目的是研究暗物质和暗能量??现代科学中最神秘的问题。

实验思想基于模拟大爆炸之后千分之一秒发生的粒子碰撞，并将实验结果与标准宇宙结构模型进行比较。科学家们指出，现代科学只能解释宇宙中4%的暗能量和暗物质。现代科学认为，宇宙是由于大约120～140亿年前的一次大爆炸而诞生，从那时起宇宙在持续膨胀，膨胀特性只能用像“暗能量”这样的作用力来解释。

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