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標題: 第一道星光劃破黑暗時代 [打印本頁]

作者: super3g 時間: 2019-5-6 01:19 AM 標題: 第一道星光劃破黑暗時代

第一道星光劃破黑暗時代
在大霹靂放出光亮後不久，所有的光消散了，宇宙陷入黑暗之中。約10億年後，宇宙重現光明；天文學家正致力解開其中的秘密。

撰文／雷蒙尼克（Michael D. Lemonick）
翻譯／李沃龍

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重點提要
■宇宙的第一代恆星與星系完全不像我們今天所見的天體，天文學家企圖「回溯時光」，研究宇宙最早天體的起源。
■「再游離化」是指光游離了當時瀰漫在宇宙裡的中性氫，天文學家對於再游離化的原因特別感興趣。
■觀測數據與電腦模擬顯示，具有上百萬太陽質量的恆星或能噴出氣體的巨大黑洞，可能是推動再游離化的天體。

大約138億年前，或更詳細地說是在大霹靂後約40萬年，宇宙突然陷入無盡的黑暗之中。在那一刻之前，整個宇宙是一團高溫、炙熱而翻騰不止的電漿──包含質子、中子與電子的緻密氣體雲。假如有人能在當時觀察整個宇宙，會發現它看來就像一團燦爛奪目的濃霧。

大霹靂後38萬年，宇宙經歷了難以想像的明亮，膨脹中的宇宙持續降溫、濃霧消散，直到足以形成氫原子，這個事件稱為再複合（recombination）。隨後萬物遁入黑暗之中，宇宙進入了天文學家所謂的黑暗時代。

那是名副其實的漫漫長夜。即便第一代恆星開始發光，它們最耀眼的光其波長全都落在光譜的紫外線波段，那正是剛形成的氫氣最容易吸收的光。宇宙用它最初高溫、絢爛的濃霧，換來一片淒冷的黑霧。

這片黑霧最後消褪了，但是究竟為何消褪，卻是個長期困擾天文學家的問題。這或許是由第一代恆星完成，因為在一個稱為「再游離化」（reionization）的過程中，恆星發出的強烈光線緩慢但持續地擊破氫原子。此外，再游離化所需的能量，也可能來自高溫氣體墜入巨大黑洞時產生的輻射。

毫無疑問地，要明瞭再游離化何時與如何發生的關鍵，就是找尋宇宙中最古老的天體，並梳理出它們的來源與本質。第一代恆星何時開始發光？它們的樣貌為何？個別恆星是如何聚攏組成星系，並且幾乎在每個星系的核心區域都可發現超大質量黑洞，那些星系又是如何形成黑洞？再游離化究竟是在恆星到星系、再到黑洞過程之間的哪個時刻發生？而這個過程是逐步或瞬間達成？

自1960年代起，天文物理學家便開始思考這類問題。但直到最近，天文望遠鏡與電腦模型的功能大增，才足以提供部份解答：後者模擬宇宙第一代恆星的出現與演化，而前者則蒐集大霹靂後五億年內的微弱星光證據，那個時段正是第一代星系的襁褓期。

點燃巨星

大約10多年前，天文學家相信他們已充份理解第一代恆星的起源。再複合結束後，充斥在宇宙中的氫原子隨即均勻散佈至廣大的空間中。另一方面，暗物質早已開始匯聚，形成平均質量介於10萬~100萬太陽質量之間的結構，稱為「暈」。這些暈的重力會吸入氫原子。當氣體越來越集中，溫度也越來越高，最終化為一團烈焰璀璨的火球，就形成了宇宙第一代恆星。

原則上，這些天文學家稱為第三族恆星（PopulationIII star）的第一代恆星，應該能破除氫氣的遮蔽而使宇宙再游離化，但這其實取決於這些恆星的本質。假如它們不夠明亮或活得不夠久，就無法順利達成這個過程。

這些恆星的本質與體型息息相關。10 多年前，天文學家普遍認為它們都是體型巨大的恆星，每顆恆星的質量約是太陽的100倍以上（參見42頁〈宇宙的年輕巨星〉）。這是因為當一團氣體雲受到重力而塌縮時，溫度會升高，高溫產生的輻射壓力能抵抗重力；除非恆星能排出這些熱能，否則將會嚴重阻礙氣體雲的塌縮。

第一代恆星主要由氫構成，這種元素的散熱能力相當差。（像我們太陽這種恆星，具有諸如氧與碳這類微量但極重要的元素，可幫助它們冷卻。）結果使得早期宇宙中的原恆星會持續累積氫氣，但恆星內部的高壓阻撓它形成緻密核心，以至於無法啟動核融合反應，來把周遭的氣體送回太空。於是恆星便繼續吞食越來越多的氣體，直到建構出一個鬆散的大質量核心為止。

2014 年在美國哈佛大學擔任博士後研究員的葛瑞福（Thomas Greif）表示：「但現在看起來，事情有些複雜。」這些最新的電腦模型不僅包含重力，也包括了一套方程式，可用來描述氣體塌縮時不斷增壓的氫氣所產生的效應。模擬結果顯示，塌縮的氫氣雲可形成許多不同結果：在某些狀況下，可形成上百萬太陽質量的第一代恆星；在其他狀況下，則碎裂成許多只具有數十太陽質量的恆星。

這些巨大體型的差異意味第一代恆星的壽命長短範圍相對大，因此也影響了再游離化的發生時機。具有100太陽質量以上的巨大恆星，是天文學上放蕩不羈的搖滾巨星：它們的生活節奏快速而壽命短暫。較小的恆星消耗核燃料的速率較慢，如果恆星真的是造成再游離化的原因，代表整個過程將十分漫長、延續好幾億年。

黑洞之光

無論這些恆星的體型多大，它們在塌縮成黑洞前，都會化為超新星、壯烈結束生命。而這些黑洞或許比其前身恆星，更適合推動再游離化的形成。

黑洞貪婪地吞食周遭的氣體，當氣體墜入時，會受到強力擠壓而使溫度陡然升高到好幾百萬度。雖然這些炙熱無比的氣體最終大多墜入黑洞而消失，但有些會以噴流型態返回太空。這些噴流極為明亮，即使相隔半個宇宙都還能看見它們發出的光，我們把這些燈塔般的天體稱為類星體（quasar）。

1960~1990年代，類星體是唯一可用來探索早期宇宙的工具。起初，天文學家對於這種天體毫無頭緒。類星體就像是附近的一顆恆星，但具有巨大的紅移──它們發出的光因宇宙膨脹而變紅。那令人印象深刻的紅移顯示，類星體比任何恆星與我們之間的距離遙遠許多，也比那些恆星明亮許多。天文學家找到的第一個類星體是3C 273，它的紅移是0.16，經過換算，顯示它的光從20億年前便已出發旅行了。

普林斯頓大學的天文物理學家史特勞斯（MichaelA. Strauss）說：「沒隔多久，人們很快便發現了紅移2的類星體。」顯示它的光已旅行長達100 億年以上。1991年，施密特（Maarten Schmidt）、甘恩（James E.Gunn）與史奈德（Donald P. Schneider）在美國加州帕洛瑪天文台合作，發現了一顆紅移4.9 的類星體，這可追溯至125億年前，或大霹靂後約10億年。

不過在分析這顆紅移4.9 的類星體數據後，卻沒發現任何證據顯示中性氫吸收掉它的光。顯然宇宙在這個類星體的光抵達地球之前，便已完全再游離化。

整個1990 年代期間，未曾有人成功發現更遙遠的類星體，這並非是欠缺威力強大的觀測工具所致。早在1990 年代前期，哈伯太空望遠鏡（Hubble SpaceTelescope）與位在夏威夷茂納開亞火山上的凱克望遠鏡（Keck telescope）便已開始運作，顯著提升了天文學家探索太空的能力。反而是因為類星體實在太稀有了，它只會由最重的超大質量黑洞爆發形成。而且從我們的位置看來，除非它的噴流恰好直接正對著我們，否則根本看不到它耀眼的光。

此外，只有當黑洞活躍、可吞食氣體時，這些噴流才能存在。對大多數黑洞而言，這類活動的高峰期發生在紅移2~3，這個時期的星系平均而言具有比今天更多的氣體。如果觀測超過這個距離，類星體的數量將迅速降低。

直到2000 年時，史隆數位巡天計畫（SDSS）利用當時所能建造出最大的數位偵測器，有條不紊地搜尋一大片天空，才打破這項紀錄。加州理工學院的天文學家艾里斯（Richard Ellis）表示：「SDSS非常成功地找到許多類星體，紅移超過5.5就有40或50顆類星體。」

【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2017 年第 924 期 07 月號】

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