黑暗時代的微光

苗千

如果說想要理解宇宙，人類必須懂得如何閱讀星光，星光就是宇宙的語言，那么這也并非是宇宙與生俱來的表達方式。在誕生初期，乃至在隨后發(fā)生劇烈轉(zhuǎn)變的時期，宇宙中都還尚且沒有光。即便是恒星誕生，宇宙開始被逐漸點亮時，光在宇宙間的穿梭也不像現(xiàn)在這樣自由無阻，整個宇宙仍處于一片迷霧之中。第一盞星光究竟在何時點亮？宇宙究竟是在什么時候成為如今人們所熟悉的形態(tài)？這個問題并不簡單，因為這涉及了宇宙發(fā)展過程中一個極其特殊的時期：宇宙黑暗時代（Cosmis Dark Ages）。

天文學家最重要的工作就是研究宇宙經(jīng)由大爆炸誕生，隨后經(jīng)過各個階段的發(fā)展和轉(zhuǎn)變，最終達到當前狀態(tài)的整個歷史過程。對于天文學家們來說，在很多情況下他們甚至不需要猜測，而只需要通過太空望遠鏡回望宇宙的過去。因為宇宙在大尺度下各個部分的性質(zhì)基本相同，因此人類觀測到了宇宙遙遠區(qū)域的過去，可能也正是我們自己的過去。盡管如此，在宇宙學研究中也仍有很多重要細節(jié)難以研究清楚，因為宇宙并非從一開始就如此清澈。

根據(jù)目前宇宙學的模型來看，宇宙誕生于距今大約138億年前。在誕生之初，整個宇宙如同一鍋沸騰的熱湯，物質(zhì)在極高的溫度下以等離子體的形式存在。在它誕生后的第10-43秒，時間與空間相分離，宇宙的生命正式開始，在第10-33秒，整個宇宙發(fā)生了暴漲，從微觀狀態(tài)被瞬間拉伸至宏觀狀態(tài)（關于宇宙暴漲理論，雖然其符合目前人類宇宙學的研究模型，但人類尚未發(fā)現(xiàn)暴漲曾經(jīng)發(fā)生過的任何觀測證據(jù)），在第10-4秒， 質(zhì)子形成，在7萬年后，物質(zhì)在宇宙中獲得主宰地位，直至40萬年之后，宇宙中的溫度開始逐漸冷卻，當溫度降低到3000開爾文時，質(zhì)子與電子相結合形成了中性的氫原子，此前一直與物質(zhì)發(fā)生劇烈相互作用的光子獲得自由，成為宇宙微波背景輻射。

而在宇宙微波背景輻射形成，直至眾多星系形成之間，目前在人類宇宙學研究中存在著一個巨大的缺口，這就是宇宙的黑暗時期。在這段時間里，宇宙尚未被恒星所點亮，在想象中似乎會顯得有些乏味，它卻是宇宙發(fā)展的重要階段之一。正如哈佛大學的宇宙學教授阿維·勒步（Avi Loeb）形容，此時的宇宙如同一個兒童。兒童既不是一個放大版的嬰兒，也不是一個縮小版的成年人，他有著各種各樣的發(fā)展可能。在宇宙的黑暗時期，宇宙中原本的粒子湯轉(zhuǎn)變?yōu)楸姸嗵祗w，而在引力的作用下，各種物質(zhì)開始相互聚集，醞釀著更大的變化發(fā)生，宇宙發(fā)展進入到了一個關鍵階段。

天文學家們無法通過太空望遠鏡輕易地回望到宇宙的黑暗時代。在這段沒有光亮的時代，隱藏著當今宇宙學研究的兩個重要問題：是什么樣的過程，讓當時尚且年輕的宇宙，就產(chǎn)生出巨大的黑洞？又是什么驅(qū)散了曾經(jīng)彌漫于整個宇宙中的離子霧？這兩個問題可能彼此相互關聯(lián)。想要得到答案，就需要進行更加細致的宇宙觀測和研究。

在2017年12月6日，《自然》（Nature）雜志刊登了在卡內(nèi)基科學研究院天文臺（Carnegie Observatories）工作的天文學家愛德華多·巴納多斯（Eduardo Banados）與合作者們共同發(fā)表的論文《在一個顯著電中性的宇宙中擁有8億個太陽質(zhì)量的紅移7.5的黑洞》（An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5），這個題目對于普通人來說或許顯得拗口，對于天文學家們來說，卻是一個不小的震動，因為它創(chuàng)造了一個人類宇宙學觀測的新紀錄。這個新發(fā)現(xiàn)的黑洞成為人類發(fā)現(xiàn)的（在時間和空間上）距今最遠的超巨型黑洞。在宇宙大爆炸發(fā)生了僅僅6.9億年之后，就出現(xiàn)了這樣一個具有8億個太陽質(zhì)量的黑洞——當時宇宙的年齡大約相當于其現(xiàn)在年齡的5%，這刷新了超巨型黑洞產(chǎn)生的時間紀錄，這也是一個處于宇宙黑暗時代的超巨型黑洞。

人們發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)的星系中心都存在有一個超巨型黑洞，這些黑洞的質(zhì)量在數(shù)百萬乃至數(shù)十億個太陽質(zhì)量之間。這些坐落在星系中心的黑洞，當其利用自身的引力作用，撕碎接近它的恒星時，會發(fā)出無比強烈的光芒，一時間它的亮度甚至可以超過整個星系。天文學家們認為，這正是宇宙中最亮的天體，類星體（quasar）形成的原因——也就是說，類星體相當于超巨型黑洞的吸積盤。正因為如此，當天文學家發(fā)現(xiàn)一個類星體，也就相當于發(fā)現(xiàn)了一個與之相伴的超巨型黑洞的存在。盡管超巨型黑洞并不算少見，但關于這種黑洞形成和發(fā)展的過程卻至今都是一個謎。

如果把黑洞看作是一種緩慢生長的植物，那么質(zhì)量巨大的恒星就可以看作是黑洞的種子，當這些擁有至少幾倍太陽質(zhì)量的恒星燒光燃料，發(fā)生引力塌縮，就會形成有幾個太陽質(zhì)量的小型黑洞，隨后這些黑洞再通過吸收附近的物質(zhì)而逐漸成長。例如處于銀河系中心的超巨型黑洞Sagittarius A*，它具有大約450萬個太陽質(zhì)量，屬于小型超巨型黑洞。天文學家估計，它可能就是由一個質(zhì)量大約為100個太陽質(zhì)量的黑洞開始緩慢成長，逐漸成為銀河系的中心。而另一些質(zhì)量動輒為數(shù)億個太陽質(zhì)量的超巨型黑洞，它們的成長過程至今仍然讓天文學家們感到迷惑——尤其是如果這些超巨型黑洞不是存在于宇宙誕生后的100多億年之后，而是存在于宇宙誕生僅僅幾億年之后，就會令天文學家們感到加倍的迷惑——在宇宙早期究竟什么樣的環(huán)境下，才會誕生出如此巨大的黑洞？

為了尋找形成于宇宙早期的類星體和黑洞，巴納多斯與合作者們首先通過天文望遠鏡記錄的舊數(shù)據(jù)篩選出類星體的候選者——這個工作并不輕松而且容易犯錯，很多在銀河系內(nèi)的褐矮星看上去與遙遠的類星體非常相似，隨后他們利用智利拉斯坎帕納斯天文臺（Las Campanas Observatory）的望遠鏡、位于亞利桑那州的大雙筒望遠鏡（Large Binocular Telescope）和夏威夷的北雙子望遠鏡（Gemini North telescope）分別進行觀察和確認，最終確認發(fā)現(xiàn)了一個遙遠的類星體，這個發(fā)現(xiàn)自然讓整個研究團隊激動萬分。endprint

這個最新被發(fā)現(xiàn)的被命名為“ULAS J1342+0928”的類星體距離地球131億光年——這是一個超級明亮，被具有極高能量和旋轉(zhuǎn)氣體和灰塵所圍繞的一個來自宇宙誕生早期的神秘天體，它也打破了此前宇宙學觀測的紀錄——此前人類探測到的距離地球最遙遠的類星體名為“ULAS J1120+0641”，距離地球130.4光年。要知道，整個宇宙的年齡也只有138億年左右。這個最新發(fā)現(xiàn)的超巨型黑洞，在宇宙誕生后6.9億年的時間里就聚集了相當于8億個太陽的質(zhì)量，它是如何在短時間內(nèi)攫取了如此之多的物質(zhì)？目前天文學家們對于它的形成和發(fā)展過程一無所知。正因為如此，天文學家們才希望能夠發(fā)現(xiàn)更多類似的超巨型黑洞進行對比研究。但是這種在宇宙早期形成的超巨型黑洞顯然數(shù)量不會太多，天文學家們搜索了十分之一的可見宇宙才發(fā)現(xiàn)了這樣一個。巴納多斯相信，在地球上總共大約可以觀測到20～100個類似的超巨型黑洞。

天文學家們也在利用現(xiàn)有的樣本進行比較。目前人類已發(fā)現(xiàn)的兩個最為久遠的超巨型黑洞，年齡相差了6000萬年。雖然這個數(shù)字相比宇宙目前的年齡來說顯得微不足道，但是在這兩個黑洞誕生的年代，這個時間的差距相當于當時宇宙年齡的十分之一，這已經(jīng)足以讓天文學家們在對兩者的比較中發(fā)現(xiàn)線索，其中或許蘊藏著在宇宙黑暗時代，超巨型黑洞如何形成的奧秘。

黑洞在幾億年的時間里獲得數(shù)億個太陽的質(zhì)量，之所以成為一個宇宙學研究的難題，是因為這完全違背了現(xiàn)代宇宙學對于黑洞成長方式的認知，也就意味著黑洞還有其他形成和成長的方式——天文學家需要完全不同的解釋。早期超巨型黑洞的形成可能需要依賴一些特殊的條件，例如多個黑洞合并成為一個超巨型黑洞，但發(fā)生這種情況需要在當時有高密度聚集的暗物質(zhì)。在2017年3月13日，英國杜倫大學的科學家約翰·里根（John Regan）與合作者們在《自然·天文學》雜志上發(fā)表論文，報告他們通過電腦模擬發(fā)現(xiàn)，在早期的宇宙環(huán)境中，可能形成一種直接塌縮黑洞（direct-collapse black holes）。

在這種形成模式中，黑洞并不需要從死亡的恒星中產(chǎn)生，也不需要漫長的成長時間。電腦模擬顯示，在早期的宇宙環(huán)境中，星系內(nèi)部的氣體可能處于一種熾熱的狀態(tài)，并且無法冷卻。另外大量的氣體又被聚集在星系內(nèi)的暗物質(zhì)所擠壓。在這種極其特殊的條件下，星系內(nèi)的物質(zhì)可能會不經(jīng)過任何中間狀態(tài)，直接發(fā)生塌縮成為超巨型黑洞。這種形成模式是由得克薩斯大學的天文學家沃爾克·布羅姆（Volker Bromm）與哈佛大學的阿維·勒步在2003年首先提出來的，而到了2016年，天文學家們發(fā)現(xiàn)，在一個名為“CR7”的年輕星系中，可能就藏有一個直接坍塌黑洞。

剛剛被發(fā)現(xiàn)的這個來自宇宙幼年時期的超巨型黑洞，還有可能為另一個天文學難題提供線索。在宇宙中誕生后5億年到10億年間的黑暗時代，從充斥著暗物質(zhì)與氫原子，到黑洞形成，恒星形成，逐漸形成星系，氫原子又被重新電離，成為帶電的離子彌漫于宇宙空間，這個過程到底具體如何？一個清晰的宇宙如何從混沌狀態(tài)中逐漸呈現(xiàn)出來？宇宙中的質(zhì)子和電子在溫度下降的情況下結合為氫原子，而隨后又被電離的時代，被稱為“再電離時代”（the epoch of reionization）。正是這樣的過程，隨著各個星系的逐漸形成與合并，讓整個宇宙空間逐漸明朗清晰起來，而且大量質(zhì)子和電子也一直以離子的形式存在于宇宙空間之中直到現(xiàn)在。

此前，天文學家們大多認為正是在宇宙黑暗時代開始形成的恒星所發(fā)射出的紫外線大量電離了氫原子。要使一個氫原子的電子離開質(zhì)子，需要13.6電子伏的能量。通過計算，在宇宙中的氫原子只需要有百萬分之一的數(shù)量參與形成恒星，發(fā)生了核聚變反應，那么這些恒星通過核反應所釋放出的能量就足以電離宇宙中剩下的全部氫原子。另一方面，也有研究顯示，黑洞才是再電離過程發(fā)生的主要原因。探明這個過程的具體原因和發(fā)生時間，有助于天文學家們理清宇宙發(fā)展的過程，而最好的辦法就是找到再電離時代的類星體和黑洞。

讓天文學家們高興的是，最新發(fā)現(xiàn)的存在于宇宙誕生之后6.9億年的類星體“ULAS J1342+0928”可能正處于宇宙的再電離時代。根據(jù)探測，在這個類星體周圍的大部分氫氣都還處于電中性狀態(tài)，尚未被電離。因此，研究這個類星體的行為與其在再電離時代的角色，對于理解宇宙的演化過程極為重要。

實際上，人類認識到宇宙是一個有開端，很可能也存在著一個結局的具有動態(tài)過程的整體，才只有不到100年的時間。在這短短的一段時間里，人類利用廣義相對論所提供的數(shù)學手段和對宇宙全新的理解方式，通過各種各樣的宇宙學觀測手段進行研究，對宇宙的誕生和發(fā)展的認識越來越清晰，這堪稱人類文明最偉大的進步之一。另一方面，時至今日，人類可能也無法通過想象來理解整個宇宙的浩瀚和歷史，因為這遠超人類的生活經(jīng)驗。相對于宇宙來說，人類連滄海一粟都算不上。這樣的對比，隨著人類對宇宙的認識越來越清晰，隨著每一個宇宙學研究的突破，都必將對人類文明產(chǎn)生深遠的影響。

對于宇宙本質(zhì)的追問，從神話時代幻想出各種造物主，到科學家們仰望星空歸納天體運行的規(guī)律，直至追尋宇宙的開端，探索宇宙中尚且沒有光亮的黑暗時代，人類探索宇宙的時代才剛剛開始。預計于2019年發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope），寄托了天文學家們太多的希望，人們認為它有可能發(fā)現(xiàn)宇宙誕生幾億年后所形成的最早的星系，這必將再次改變?nèi)祟悓τ谟钪娴恼J知。

（本文寫作參考了《Quantamagazine》《Nature》和《Scientific American》等雜志的報道）endprint