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隨著第一批恒星和星系的出現(xiàn)，大約1億年后，這些氣體又逐漸被恒星的紫外線輻射電離。這個(gè)過程將電子從質(zhì)子中分離出來，使它們成為自由粒子。這個(gè)時(shí)代通常被稱為 “宇宙黎明”。今天，所有散布在星系之間的氫氣，即所謂的星系間氣體，都被完全電離了。然而，那是什么時(shí)候發(fā)生的，是科學(xué)家們激烈討論的話題，也是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的研究領(lǐng)域。

“宇宙黎明”的終結(jié)

(資料圖片)

現(xiàn)在，由德國(guó)海德堡馬克斯-普朗克天文研究所（MPIA）的Sarah Bosman領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家小組，已經(jīng)將再電離紀(jì)元的結(jié)束時(shí)間精確到大爆炸后11億年。“我對(duì)宇宙經(jīng)歷的不同階段導(dǎo)致太陽和地球形成的想法非常著迷。能夠?yàn)槲覀兊挠钪鏆v史知識(shí)貢獻(xiàn)一個(gè)新的小部分，這是一個(gè)很大的榮幸，”Sarah Bosman說。她是這篇研究文章的主要作者，文章最近發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上。

論文的共同作者、MPIA的天文學(xué)家Frederick Davies評(píng)論說：“直到幾年前，普遍的看法是，再電離幾乎在2億年前完成。在這里，我們現(xiàn)在有最有力的證據(jù)表明，這個(gè)過程結(jié)束得更晚，在一個(gè)更容易被當(dāng)代觀測(cè)設(shè)施觀測(cè)到的宇宙時(shí)代。”考慮到自大爆炸以來的幾十億年，這一時(shí)間修正可能顯得微不足道。然而，在早期的宇宙演化中，再有幾億年就足以產(chǎn)生幾十個(gè)恒星世代了。“宇宙黎明”時(shí)代的時(shí)間限制了在其持續(xù)的數(shù)億年中存在的電離源的性質(zhì)和壽命。

這種間接的方法是目前唯一的方式來描述推動(dòng)再電離過程的天體的特征。直接觀察那些最早的恒星和星系是當(dāng)代望遠(yuǎn)鏡無法做到的。它們實(shí)在是太微弱了，無法在合理的時(shí)間內(nèi)獲得有用的數(shù)據(jù)。即使是像歐空局的極大型望遠(yuǎn)鏡（ELT）或詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡這樣的下一代設(shè)施也可能難以完成這樣的任務(wù)。

作為宇宙探測(cè)器的類星體

為了研究宇宙何時(shí)被完全電離，科學(xué)家們采用了不同的方法。一種是測(cè)量中性氫氣在著名的21厘米光譜線上的發(fā)射。相反，Sarah Bosman和她的同事們分析了從強(qiáng)背景源收到的光。他們采用了67個(gè)類星體，即圍繞著遙遠(yuǎn)的活躍星系中的中心大質(zhì)量黑洞的明亮的熱氣體盤。觀察類星體的光譜，它直觀地顯示了其強(qiáng)度在整個(gè)觀測(cè)波長(zhǎng)上的分布，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了光似乎消失的模式。這就是科學(xué)家們所說的吸收線。中性氫氣在從光源到望遠(yuǎn)鏡的過程中吸收了這部分光線。這67顆類星體的光譜具有空前的質(zhì)量，這對(duì)于這項(xiàng)研究的成功至關(guān)重要。

該方法涉及觀察相當(dāng)于121.6納米波長(zhǎng)的光譜線。這個(gè)波長(zhǎng)屬于紫外線范圍，是最強(qiáng)的氫氣譜線。然而，宇宙膨脹使類星體的光譜向更長(zhǎng)的波長(zhǎng)移動(dòng)，光走得越遠(yuǎn)，就越長(zhǎng)。因此，觀察到的紫外線吸收線的紅移可以轉(zhuǎn)化為與地球的距離。在這項(xiàng)研究中，當(dāng)紫外線到達(dá)望遠(yuǎn)鏡時(shí)，該效應(yīng)已將其移至紅外范圍。

根據(jù)中性和電離氫氣之間的比例，吸收的程度，或者反過來說，通過這種云的傳輸，達(dá)到一個(gè)特定的值。當(dāng)光線遇到一個(gè)具有高比例電離氣體的區(qū)域時(shí)，它不能那么有效地吸收紫外線輻射。這一特性正是研究小組正在尋找的。

類星體的光線在其路徑上以不同的距離穿過許多氫云，每一個(gè)氫云都會(huì)在紫外線范圍內(nèi)留下其較小的紅移的印記。在理論上，分析每條紅移線的傳輸變化應(yīng)該可以得出氫氣完全電離的時(shí)間或距離。

模型有助于區(qū)分相互競(jìng)爭(zhēng)的影響因素

不幸的是，情況甚至更加復(fù)雜。自從電離結(jié)束后，只有星系間的空間是完全電離的。有一個(gè)連接星系和星系團(tuán)的部分中性物質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)，稱為“宇宙網(wǎng)”。在氫氣是中性的地方，它也會(huì)在類星體的光線中留下它的痕跡。

為了解開這些影響，研究小組應(yīng)用了一個(gè)物理模型，該模型再現(xiàn)了在更晚的時(shí)代測(cè)量到的變化，當(dāng)時(shí)星系間氣體已經(jīng)完全電離了。當(dāng)他們將該模型與他們的結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)偏差，即121.6納米線的波長(zhǎng)被移位了5.3倍，相當(dāng)于11億年的宇宙年齡。這一轉(zhuǎn)變表明，當(dāng)測(cè)量的類星體光的變化變得與來自宇宙網(wǎng)的單獨(dú)波動(dòng)不一致的時(shí)候。因此，那是中性氫氣一定存在于星系間空間并隨后被電離的最新時(shí)期。那是 “宇宙黎明 ”的結(jié)束。

未來是光明的

Frederick Davies說：“這個(gè)新的數(shù)據(jù)集提供了一個(gè)關(guān)鍵的基準(zhǔn)，在未來的幾年里，宇宙最初十億年的數(shù)值模擬將在此基礎(chǔ)上得到檢驗(yàn)。他們將幫助確定電離源的特征，即第一代恒星。”

Sarah Bosman指出：“我們工作最令人興奮的未來方向是將其擴(kuò)展到更早的時(shí)代，向電離過程的中點(diǎn)發(fā)展。不幸的是，更遠(yuǎn)的距離意味著那些更早的類星體明顯更暗。因此，像ELT這樣的下一代望遠(yuǎn)鏡的擴(kuò)大收集區(qū)域?qū)⑹侵陵P(guān)重要的。”

關(guān)鍵詞：科學(xué)家們至關(guān)重要天文學(xué)家