苗千
一個經(jīng)由一場大爆炸而誕生的陰冷黑暗的宇宙,何時才能迎來黎明?當(dāng)宇宙中的第一顆恒星形成,整個宇宙都被點(diǎn)亮,又會對整個宇宙的命運(yùn)造成怎樣的影響?在宇宙大爆炸發(fā)生了將近138億年之后,人類是否還能回溯到宇宙開始變亮的那一刻?
在澳大利亞西部茫茫沙漠的中間,一組科學(xué)家在這里終年忙碌,這是為了用一種特殊的方法探測到宇宙中的第一盞星光。他們在位于西澳大利亞的默奇森電波天文觀測站(Murchison Radio-astronomy Observatory),遠(yuǎn)離現(xiàn)代生活的各種無線電干擾,建造出一個比家用冰箱略大的天線進(jìn)行天文學(xué)探測。相比于動輒花費(fèi)天文數(shù)字的各種天文學(xué)探測設(shè)備,這個天線的造價不到500萬美元。而在經(jīng)過了12年的探測之后,這組科學(xué)家利用這個天線探測到的數(shù)據(jù)震驚了世界天文學(xué)界。如果這組數(shù)據(jù)還有其所指向的結(jié)果能夠最終被證實(shí),不僅會讓人們對于宇宙早期形態(tài)的認(rèn)識更加清晰,還有可能對于當(dāng)今物理學(xué)研究的最大謎團(tuán)——暗物質(zhì)的真實(shí)身份——產(chǎn)生決定性的影響。
想要理解這個發(fā)現(xiàn)的意義,需要從宇宙的源頭開始說起。人們至今仍然不清楚最早的恒星于何時形成,它們又具有哪些性質(zhì)。宇宙經(jīng)過大爆炸誕生大約40萬年之后,逐漸形成了氫原子和氦原子,這些原子彌漫在黑暗的宇宙空間之中,隨后在引力的作用下,物質(zhì)開始逐漸聚合,形成恒星,整個宇宙于是被點(diǎn)亮了。天文學(xué)家估計這些最早期的恒星可能比現(xiàn)在的恒星更熱,結(jié)構(gòu)也更簡單。
關(guān)于第一盞星光究竟在何時被點(diǎn)亮,在天文學(xué)界有各種理論進(jìn)行預(yù)測,根據(jù)最新的探測結(jié)果來看,最初的恒星形成于宇宙誕生之后的1.8億年。恒星的出現(xiàn)對于整個宇宙的形態(tài)和演化過程都造成了重大影響。恒星被點(diǎn)亮之后,彌漫在它們周圍的氫氣終于有可能被“看見”,它們發(fā)出的光線可以被氫氣吸收,這也是恒星形成的最重要的標(biāo)志,它開始影響周圍的媒介。從某種意義上說,構(gòu)成地球和人類的主要物質(zhì)都源于恒星。目前在宇宙中常見的一些天體,包括黑洞,大多也都源于恒星。追溯第一顆恒星的歷史,也就相當(dāng)于追溯到了人類演化歷史的最源頭。
恒星出現(xiàn)的意義還不止于此。在恒星出現(xiàn)之前,氫原子與大爆炸產(chǎn)生的宇宙微波背景輻射都均勻地彌漫在宇宙空間中,彼此之間的相互作用形成了一種平衡狀態(tài)。當(dāng)恒星出現(xiàn)之后,它所發(fā)射的紫外線可能被分布在它周圍的氫原子所吸收,這個過程會影響氫原子的結(jié)構(gòu),造成氫原子內(nèi)電子的躍遷,進(jìn)而發(fā)射出波長21厘米(頻率為1420兆赫茲)的輻射,而這種輻射有可能在地球上被探測到。輻射在宇宙膨脹過程中經(jīng)過紅移現(xiàn)象演變得波長更長、頻率更低。正是因為輻射的波長和頻率隨著宇宙的膨脹而逐漸變化,天文學(xué)家可以通過探測到的輻射特點(diǎn)來判斷它所形成的時間。在澳大利亞進(jìn)行天文探測的研究小組正是因此推斷了宇宙最初開始變亮的時間,而輻射信號的消失則標(biāo)志著宇宙中最早期的恒星的熄滅——通過波長判斷這是發(fā)生在宇宙形成的2.5億年之后。
這個在澳大利亞的沙漠中進(jìn)行天文學(xué)探測的研究小組由來自美國亞利桑那州立大學(xué)和麻省理工學(xué)院的天文學(xué)家組成,他們正合作進(jìn)行一個名為“全天再電離時期信號探測實(shí)驗”(Experiment to Detect the Global EoR Signature)的項目研究,他們希望利用一組特殊制作的天線,探測來自宇宙中第一顆恒星所發(fā)出的輻射信號。因為這種信號的頻率上限恰好與地球上電臺廣播的頻率相重合,任何來自地球的干擾信號都可能是他們想要探測的宇宙信號強(qiáng)度的上千倍,天文學(xué)家們只能在沒有任何來自地球的無線電波干擾的默奇森電波天文觀測站進(jìn)行探測。資助這個研究項目的美國國家科學(xué)基金會項目主管彼得·科琴斯基(Peter Kurczynski)形容說,想要探測這樣的信號,就如同要在風(fēng)暴的中心探測蜂鳥扇動翅膀的聲音。
實(shí)際上,研究小組最初是想探測宇宙中更晚一些時間的恒星輻射信號,但是從2015年開始,他們把探測信號的頻率調(diào)整到了78兆赫茲,這個頻率所對應(yīng)的時間為宇宙大爆炸之后的1.8億年。多年的辛苦工作終于取得了回報,2018年3月1日,來自亞利桑那州立大學(xué)的天文學(xué)家賈德·鮑曼(Judd Bowman)與合作者們共同在《自然》(Nature)雜志發(fā)表論文《以78兆赫為中心的全天平均光譜吸收曲線》(“An Absorption Profile Centred at 78 Megahertz in the Sky-averaged Spectrum”),報告了研究小組多年來取得的探測結(jié)果。
鮑曼的研究小組通過地面天線探測到了宇宙大爆炸發(fā)生1.8億年之后,也就是距今大約136億年前的恒星輻射信號。它是來自遠(yuǎn)古的恒星光線在被周圍氫氣吸收之后留下的印記,這也是宇宙中最早的恒星所能留下的信號。鮑曼自己評價說,除了宇宙大爆炸之外,這是人類能夠探測到的最早的宇宙信號。
如果說探測到了宇宙中最早的恒星所留下的信號,讓人們對于宇宙的早期狀態(tài)的理解更加清晰,并且驗證了一種全新的探測宇宙的方法完全可行,還算是在研究者的預(yù)料之中的話,那么一些意料之外的發(fā)現(xiàn)就讓人感到既迷惑又興奮了。天文學(xué)家們探測到的早期恒星的信號強(qiáng)度是此前預(yù)測的兩倍,鮑曼以及合作者們對這個結(jié)果感到非常迷惑,他們甚至重新建造了一個天線,又花費(fèi)了兩年時間進(jìn)行探測,結(jié)果依然如故。
要解釋這個現(xiàn)象,只能認(rèn)為當(dāng)時宇宙空間中氫原子的溫度只有天文學(xué)家們此前估計的一半。根據(jù)估算,當(dāng)時氫原子的平均溫度應(yīng)該為大約6開爾文,而探測信號顯示,當(dāng)時氫原子的平均溫度僅僅為3開爾文左右。那么又該如何解釋在宇宙形成的早期,氫原子的平均溫度只有理論估算溫度的一半?以色列特拉維夫大學(xué)的天文學(xué)家熱納·巴克納(Rennan Barkna)認(rèn)為,理論與實(shí)際的差別,涉及到了當(dāng)今物理學(xué)研究中最大的一個謎題:暗物質(zhì)之謎。巴克納的推斷在物理學(xué)界所引發(fā)的震動更甚于鮑曼做出的發(fā)現(xiàn)。
2018年3月1日,在同一期《自然》雜志中,緊隨鮑曼與合作者所發(fā)表的論文,巴克納根據(jù)他們的探測數(shù)據(jù)也發(fā)表了一篇論文《由最早的恒星所揭示的重子與暗物質(zhì)粒子之間可能存在的相互作用》(“Possible Interaction Between Baryons and Dark-Matter Particles Revealed by the First Stars”)。論文中所謂的“重子”(Baryon)可以理解為人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和理解的普通物質(zhì)。而自從上世紀(jì)30年代人類發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的存在之后,人們通過引力作用的計算,發(fā)現(xiàn)其占宇宙總物質(zhì)能量的26.8%,卻至今仍然對其性質(zhì)缺少理解,甚至連暗物質(zhì)的基本組成形式都不清楚。
巴克納的論文將暗物質(zhì)與天文學(xué)家們剛剛發(fā)現(xiàn)的宇宙中最早的恒星信號聯(lián)系在了一起,他認(rèn)為正是由于暗物質(zhì)的存在,使當(dāng)時氫原子的平均溫度低于預(yù)期。巴克納在論文中推斷,在當(dāng)時的宇宙條件下,唯一可能溫度低于氫原子的物質(zhì)就是暗物質(zhì)。如果在當(dāng)時氫原子與暗物質(zhì)粒子發(fā)生了相互碰撞,兩者之間就有可能發(fā)生能量交換,從而降低氫原子的溫度——如果這個解讀成立的話,這就是人類第一次通過非引力作用探測到暗物質(zhì)的存在。
盡管目前人們觀測不到暗物質(zhì)與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用,但是在宇宙誕生的初期情況可能并不是如此。天文學(xué)家們猜測,在低溫、低速的條件下,暗物質(zhì)有可能與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用。經(jīng)過計算,暗物質(zhì)粒子要和氫原子發(fā)生散射,暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量大約相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的幾倍——這可能也正是人類多年來都無法探測到暗物質(zhì)粒子的原因,人們此前估計的暗物質(zhì)粒子,例如大質(zhì)量弱相互作用粒子的質(zhì)量都遠(yuǎn)超質(zhì)子。粒子物理學(xué)家們之前可能完全找錯了方向。
鮑曼研究小組的探測結(jié)果以及巴克納的推斷在《自然》雜志發(fā)表之后,迅速在全世界物理學(xué)界引發(fā)了軒然大波。這不單單可能是人類探測宇宙早期狀態(tài)的一個重大突破,也有可能是幾十年來人類所做暗物質(zhì)研究的最重大突破。哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家阿維·勒布(Avi Loeb)評價說,如果這個研究成果和推斷都能成立的話,值得獲兩個諾貝爾獎,但是“不尋常的主張需要不尋常的證據(jù)”,還需要耐心等待其他研究小組對探測結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。
人類進(jìn)行天文學(xué)研究,追尋整個宇宙以及人類自身的源頭,找尋人類自身存在的價值,這可能正是人類進(jìn)行科學(xué)研究最根本的意義所在。而在進(jìn)行科學(xué)研究和探測的過程中收獲意外驚喜,進(jìn)而可能對科學(xué)發(fā)展做出貢獻(xiàn),則是一位科學(xué)家所能獲得的最大獎賞了。在21世紀(jì),在宇宙大爆炸發(fā)生的138億年之后,人類能夠探測到宇宙中第一盞星光,這難免讓人想起敘利亞詩人阿多尼斯的詩句:
當(dāng)我把眼睛沉入你的眼睛
我瞥見幽深的黎明
我看到古老的昨天
看到我不能領(lǐng)悟的一切
我感到宇宙正在流動
在你的眼睛和我之間
(本文寫作參考了《自然》《科學(xué)》雜志,以及美國亞利桑那州立大學(xué)的報道)