宇宙的“黑暗时代”

张鹏杰

光 明 宇 宙

   宇宙看似没有尽头。四百年前伽利略把望远镜对准星空，从那时起我们接收并破译了无数的天外信号——恒星、星云、星团、星系和星系团发出的光。它们是我们探索宇宙的航船，带领我们向宇宙海洋的深处前进。只要有光，我们就不会迷失方向。四百年间，这个光明宇宙的边缘扩展了上千万倍。就在写这篇文章前不久，我们刚刚收到某个遥远星系发来的信号。这束光是130亿年前发出的，它在一路上经历了天翻地覆：恒星焰火此起彼伏；星系连横合纵、弱肉强食；金属源源不断地从恒星的核反应堆里产生；美酒在巨大的星云中酿造；生命在某个蓝色星球上诞生；在某些千万光年的区域里，暗物质称王称霸，产生的巨大引力牢牢束缚住了成千上万个星系，甚至霸道得连光线都不放过①；然而在更大的尺度上，暗物质终于臣服于暗能量，宇宙开始像脱缰的野马，狂奔而去②。在损失掉了80%多的能量之后，这束光终于在今天到达了我们的眼睛（望远镜），朦胧而暧昧，对某些天文学家来说，它或许比初恋更值得铭记一生。

   然而这也许还不是光明宇宙的尽头。某些天体会在更古老的时刻、在更遥远的地方，以伽玛暴（Gamma ray burst）的辉煌爆发结束自己的生命历程。在那一刻，它们成为宇宙中最明亮的焰火。这是不是光明宇宙的边缘？光明宇宙的外面，是不是一片黑暗？在黑暗时代里，宇宙的奥秘又是以怎样的形式展现？是什么样的力量，驱使宇宙陷入黑暗？又是什么样的力量，使得宇宙重现光明？

   因为光速有限，遥远宇宙对应着古老宇宙。在描述遥远宇宙的时候，一个比距离更合适的量是红移，一般用z表示。今天（距离为零）的红移是零。（共动）距离越远，红移越大。在宇宙的边缘，微小的距离改变就对应着很大的红移改变。红移是宇宙膨胀引起的，光若从红移为z=1的地方到达我们，就会因为膨胀而损失掉50%的能量[1-1/（1+z）=0.5]，即波长增加一倍。在红移为z的时候，宇宙的大小（可以理解为半径）只有现在的1/（1+z）。

   对遥远天体的观测是极其艰难的。因为远，它们的亮度以距离平方反比的速度衰减；因为宇宙膨胀，还增加了（1+z）2的额外衰减，也就是说，即使不考虑距离远近，一个红移7的星系亮度也要比红移0的同样星系暗82=64倍！雪上加霜的是，还是因为宇宙膨胀，可见光红移到了红外波段，这使得光学望远镜一筹莫展。在红外波段，地球是个糟糕的观测地点，地球表面温度是300开左右，辐射峰值就在红外，是个巨大的红外污染源。水汽等强烈吸收红外光，导致红外的观测窗口相当有限。这简直就像把望远镜放在蒸笼里，还要盖上盖子！但借助于哈勃望远镜等威力巨大的设备，我们还是把这个光明宇宙的边缘推进到了红移7左右，那时候宇宙刚刚诞生约8亿年，大小只有现在的12%左右。

   红移7以上的宇宙是什么样子呢？我们不知道。不过感谢宇宙微波背景辐射，我们竟然对古老得多的宇宙，即红移1100的宇宙几乎了如指掌。那时宇宙只有37万岁，还沐浴在炙热的大爆炸余晖中，温度为三千多度，约是太阳表面温度的一半。那时的宇宙显然也是明亮的，借助于精妙的观测设备，我们甚至看得清她脸上十万分之一的表情变化③。

   “黑 暗 时 代”

   然而在红移7和1100之间，我们所有的天文仪器突然都失去了作用！从宇宙学的角度说，红移7和1100之间的这段时间并不长，约为8亿年，只占宇宙年龄（约140亿年）的6%。但在这段时间里，宇宙的个

   头足足增长了上百倍，物质形态也经历了剧烈变化。天文学家对这个未知领域或者说巨大的宝藏兴奋异常，他们摩拳擦掌，准备花大力气、大价钱来好好研究。

   红移1100的时候，光子和重子脱耦，随着宇宙膨胀，它从可见光一直衰变到今天能够看到的微波。而重子物质（往往称为气体）因为没有了光子的能量输入，迅速变成中性气体。它们的温度降低得更快，在红移100的时候，就到了100开左右。这是个看似单调无味的世界。这些气体里几乎没有金属，不会形成什么有趣的分子或尘埃，不会发射或者吸收什么有趣的谱线；物质（暗物质和重子物质）里的密度扰动还非常小，恒星、黑洞、星系等有趣的结构都还没有形成，自然也没有光。不仅没有可见光，简直连电磁辐射都没有！这个没有电磁辐射的时代，就是“黑暗时代”。

   但在黑暗之中，引力正在积攒力量。那些物质密度稍稍高一点的区域引力强，从而能够吸引更多的物质。这个过程进行得很慢，但是没有力量能够阻挡。到了某个时刻，有些区域的物质多到了一定程度，形成了暗物质晕（dark matter halo）。这些暗物质晕束缚住了足够多的气体，气体云通过辐射开始冷却，恒星开始形成，于是又有了光。

   第一代恒星大概在红移30左右时开始出现。中国人说“天不生仲尼，万古如长夜”。西方人说“大自然暨其规律为夜幕所掩，上帝命牛顿出世，天地遂大放光明”。第一代恒星扮演的就是类似角色。从这个时刻开始，世界变得热闹起来。恒星发出的紫外线电离了周围的中性氢原子。围绕着每个第一代恒星，一个个电离区开始出现。因为没有金属，气体冷却不够有效，形成的第一代恒星可能个头很大，代价就是生命短暂，往往以剧烈的超新星爆炸结束其短暂一生。爆炸释放出了内部核反应产生的金属，污染了周围纯洁（pristine）的气体。别小看这一点点金属，它们剧烈改变了气体的冷却机制，从而改变了恒星形成机制，导致第一代恒星退出历史舞台。在爆炸的中心，可能会形成黑洞。因为高红移宇宙的气体密度很高，这些黑洞有很多气体可以吞噬，成长迅速。这些被吞噬的气体在掉入黑洞之前，会因气体之间的摩擦被加热到很高的温度而发出X射线。跟紫外线不一样，这些X射线平均要跑很远才会电离掉中性氢原子。

   在引力作用下，宇宙中的结构越来越多，形成更多的恒星和星系，发出更多的紫外线和X射线，一个个电离区胜利会师、重叠，最终所有的氢原子都被电离。因为在宇宙早期的复合和脱耦过程之前，宇宙中的气体也是电离的，所以这个过程叫做再电离过程。如果假设完全电离是瞬间发生的话，通过微波背景辐射的观测④，该过程发生在红移10附近。

   上面说的只是一个大致图像，没有人知道细节。第一代恒星有多大？第一代星系有多大？它们什么时候形成？如何演化？宇宙的电离过程是如何进行的？是一次电离还是多次电离？目前的认识绝大多数还处于理论猜测阶段，只有零星的几个观测数据。通过宇宙微波背景的观测，我们准确测量出了再电离的平均幅度（严格地说，是自由电子的汤普森散射厚度），知道再电离过程至少始于红移10；通过对类星体拉曼-阿尔法吸收线的观测，有迹象表明宇宙中氢原子的电离度在红移6附近发生过很大变化，也就是说氢原子的再电离过程可能在红移6附近完全结束⑤。

观 测 窗 口

   爱因斯坦曾经感叹过，大自然的神奇之处就在于它的神奇竟然可以被人类理解。对于红移7到1100之间的“黑暗时代”，大自然仁慈地留出了几个宝贵的观测窗口。天文学家是一个奇怪的群体，一方面崇尚实际（天文是一门观测驱动的学科），一方面不放过任何一个疯狂的想法。既然大自然留出了观测“黑暗时代”的窗口，天文学家自然当仁不让地列出了雄心勃勃的计划，准备着在不久的将来，对“黑暗时代”进行犁庭扫穴式的观测。

   21厘米谱线就是其中一个窗口。这是中性氢原子基态的两个自旋态之间跃迁产生的谱线，频率为1.4吉赫兹，对应波长是21厘米，处于射电波段。这是在氢原子静止坐标系里的波长。因为宇宙膨胀，该波长会被拉长（1+z）倍，变成几米。研究表明，在高红移（约大于30）时，该谱线为吸收线；在低红移（约为10）时，由于恒星和类星体的加热作用，该谱线变为发射线。一般来说，只要有中性氢，就有21厘米谱线。原则上，只要射电望远镜足够强大，通过（红移后的）21厘米谱线，我们可以穿透整个“黑暗时代”。更妙的是，通过它的谱线特征，我们就能知道每条谱线对应的位置和发射时刻，从而绘制出整个“黑暗时代”的演化图像。

   这真是个美妙的方法，但这同时又是个“疯狂”的方法。问题出在射电前景的污染上。21厘米信号的强度，用亮温度来表示，是0.01开左右。而射电前景的亮温度，在2米波长上，是200开左右，并随着波长的约2.6次方增长。天文学家面对的任务，就是要找出比噪声小上万倍的信号！感谢天文观测技术和天文数据处理方法的长足进展，这并不是个不可能的任务。目前世界上有几个项目已经开展，包括我们国家部署在新疆的21厘米天线阵项目（21cm array, 21CMA）。而计划中的平方公里天线阵项目，能力将比目前的项目提高百倍，它将对“黑暗时代”进行精确测量。

   21厘米线的观测告诉我们的主要是“黑暗时代”的各种统计性质，即对观测天区平均后的性质⑥。要了解单个天体，例如第一代星系的性质，往往需要其他的观测方法，例如太空红外望远镜。这方面6米口径的詹姆斯—韦伯太空望远镜（James Webb space telescope，JWST）将发挥无可替代的作用，它能够发现远达红移11附近的星系。因为口径可以更大，地面红外望远镜也能通过地面有限的红外观测窗口来发挥作用，例如发现第一代恒星造成的超新星。

   天文的一个神奇之处就在于，人类竟然能够在短暂的、即使从人类文明开始算起也不过几千年的宇宙之一瞬的时间里，看到宇宙长达百亿年的演化。“黑暗时代”的观测，将补上宇宙百亿年演化最后缺失的一环。感谢人类科技的进步，这篇文章的读者，都将在有生之年看到宇宙从黑暗转入光明的历史。

   ① 参见：张鹏杰.引力魔术—引力透镜现象.科学，2009，61（3）：47.

   ② 参见：张鹏杰.波澜壮阔的宇宙学大革命.科学，2009，61（1）：34.

   ③ 参见：张鹏杰.红蓝化石—宇宙微波背景辐射.科学，2009，61（5）：43.

   ④ 自由电子会散射宇宙微波背景辐射的光子，压低微波背景的温度扰动，并产生偏振。通过这些效应，可以计算出自由电子的光学厚度为0.1左右，对应的红移在10附近（假设该红移之下宇宙中的氢完全电离）。

   ⑤ 氦原子的再电离结束得要晚，发生在红移3附近。

   ⑥ 这跟射电望远镜的设计和能力有关。国家天文台陈学雷研究员及其合作者指出，围绕第一代恒星，存在一个“拉曼—阿尔法球面”（Lyman—alpha sphere）。如果21厘米望远镜足够强大，又拥有上千平方公里的接收面积，就可以看清单个拉曼—阿尔法球面。如果我们利用星系团这些天然的、强大的引力望远镜，只用100平方公里接受面积的天线阵，就可做到同样的事。