早期宇宙是什么样子

早期的宇宙是什么样子的？天文学家是研究宇宙历史的，而考古学家是研究人类历史的，但天文学家比起考古学家有一个巨大的优势，即他们能看到过去。
　　看到过去？可能吗？答案是肯定的。原来光速是有限的，这意味着一个天体离我们愈远，它发出的光到达我们地球所需的时间就愈长。譬如说，此刻我们看到距地球10亿光年外的一颗恒星，那么这束光必定是它在10亿年前发出的，所以我们现在看到的，其实是这颗恒星10亿年前的模样。
　　这样，我们利用目前最强大的望远镜，已经能够追溯到宇宙大爆炸之后5亿年的那一时间。换句话说，在宇宙137亿年的“历史”中，除了最初的5亿年还不为人知，其余的历史我们都已经有所了解。至于作为宇宙“婴儿”期的那5亿年里，到底发生了什么，我们目前只掌握这样一件事实：在大爆炸之后大约40万年，遍布宇宙的背景辐射开始形成，这一辐射起初温度极高，后来随着宇宙膨胀，才逐渐冷却，这就是我们现在所说的2.73K微波背景辐射。
　　至于这一时期其余时间发生了什么，我们只能做各种猜测。这就好比一个人对5岁之前的记忆，除了记得不到1岁时被火烫了一下，其余一概都记不得了一样。但现在，得益于新的观测技术和手段，宇宙历史中这一缺失的篇章将很快得到填补。
　

　第几代恒星才开始
　　形成星系？
　　关于这一缺失的篇章，其实理论家们早已经为我们勾勒出了大致的图景。线索来自微波背景辐射：大爆炸之后大约40万年，宇宙温度降低到可让质子和电子结合形成氢原子，氢原子散射光子，使之均匀地遍布整个宇宙。背景辐射中温度的微小起伏则说明当时氢原子的分布并非完全均匀，已经显出疏密不均的“团团块块”。这些团团块块就是形成恒星的种子，随着时间的推移，它们演化成了恒星。这些恒星，又受到彼此引力的拉拽，在数亿年的时间里形成了星系。
　　当这一切进行的时候，宇宙的“个性”又发生了天翻地覆的变化：高能量的辐射摧毁了刚形成不久的氢原子，把电子和质子重新“解放”了出来。这就是所谓的宇宙“重电离”时期。这一时期大约结束于大爆炸后7亿年。

　　但这些故事只是在缺乏观测证据的条件下所做的大致猜测。我们对于这一时期宇宙演化的许多细节依然一无所知。
　　譬如说，首先，组成最早星系的是什么？你或许会想，当然是最早的恒星呗。但这个“当然”很成问题。我们知道，在宇宙历史上，有过好几代恒星。最早的恒星“爷爷”们，看起来完全不像后来的子孙，它们成长的环境很特殊。它们是在单纯由氢和氦元素组成的环境中长大的，因为宇宙大爆炸只大量制造了这两种元素。而稍重的元素，比如碳、氧、硅等，还有待于这些恒星“爷爷”内部发生核反应才能进一步制造出来。这些稍重的元素跟原有的氢、氦一起，构成了像太阳这样的第二或第三代恒星的成长环境。
　　我们目前知道，第一代恒星个头都很大，一般达到太阳质量的100多倍。因为个头大，燃烧得快，所以它们的寿命也短，平均只有几百万年。但寿命这么短，怎么来得及形成星系呢？要形成一个星系，至少需要上亿年时间。难道是第二代恒星才开始形成稳定的星系的吗？
　　超大质量黑洞是
　　怎么来的？

　　此外，存在到如今的宇宙“巨兽”也为我们增添了新的谜团。这些巨兽就是超大质量黑洞。我们知道，几乎每一个像银河系这样的星系中心，都隐藏着一个超大质量黑洞，其质量是数百万乃至数十亿倍的太阳质量。它们是怎么变成巨无霸的？
　　一种理论认为，这些黑洞起初质量并不大，是恒星坍缩之后形成的，后来不断“吞吃”周围的星云和恒星，才变成了现在的这副样子。然而，一个超大质量黑洞要是通过这种方式长成，所需时间甚至超过了整个宇宙的年龄。
　　另一种理论则干脆假设它们一开始就几乎这么大，是由宇宙早期大量的气体云直接坍缩而成的。但气体云怎么不经过恒星阶段就直接坍缩成黑洞呢？这在理论上缺乏依据。
　　还有，宇宙“重电离时期”电离氢原子的高能辐射来自何处？是来自第一代恒星的紫外线辐射，还是来自超大质量黑洞周围物质摩擦发射出的X射线？这些问题我们都还不清楚。
　　要回答这些问题，我们可以通过建造更加强大的常规望远镜来寻找答案。但哪怕功能最强大的常规望远镜，在那样遥远的距离，也仅能观测到那些最明亮、最显眼的天体，而形容词前加了“最”字，可见它们即便被观测到，也没有代表性，我们想知道的是一般的情况。
　　记录宇宙早年历史的
　　21厘米射电波

　　有一个好方法可以窥探宇宙早期，即捕捉来自氢原子的射电波（也就是无线电波）。
　　在宇宙“重电离时期”刚开始，中性氢原子应该是十分丰富的，它们会发射出微弱的辐射。在每个氢原子里，都有1个电子和1个质子，电子和质子都有自旋，所以就好比两个小磁针。根据量子力学，在外部磁场中（宇宙空间充满了磁场），它们的自旋只有两个朝向：顺着磁力线和逆着磁力线方向。从一个朝向翻转到另一个朝向，需要释放或者吸收能量，这部分能量刚好对应波长为21厘米的光子。波长21厘米的光子正好处于电磁波的无线电波段，所以是一种射电波。
　　可见，不管是发射还是吸收21厘米波长的光子，这都是氢原子存在的一个确凿无疑的信号。在宇宙“重电离时期”，因为有些地方的氢原子被电离了，那里就不会发出21厘米波长的光子。所以，了解了氢原子的分布，我们就可以了解这一时期宇宙的许多细节。


　　正是基于21厘米氢原子射电波的重要性，所以我国在建的这座射电望远镜被命名为“21厘米射电阵列”。
　　但是21厘米仅指发射时的波长，当它抵达地球时，由于宇宙膨胀，这一波长已经被拉长了。拉长的程度取决于那块包含氢原子的天区离我们有多远。一个区域离我们越远（因此现在看到的其实是它越早时候的样子），这一波长抵达我们就会被拉得越长。这样我们就可以从21厘米氢原子射电波被拉长的程度，得知这片天区到我们的距离，从而描绘出宇宙早期氢原子在宇宙中的三个维度分布图，或者说是我们“回溯的历史时间”。 　　这样，我们将通过21厘米氢原子射电波的观测记录，了解宇宙早年那段缺失的岁月，澄清这一时期的许多恼人问题。譬如，这张图将揭示第一代恒星在星系形成的过程中究竟扮演何种角色，以及氢原子重新被电离的辐射究竟来自第一代恒星还是超大质量黑洞。如果黑洞是主角，那么还可以揭示它是否一诞生就是“巨人”，倘若不是，那么它朝“巨人”演化的速度有多快，等等。


　　大型射电阵列的由来

　　那么，之前为什么天文学家没有做这一工作呢？这是因为，从宇宙大爆炸后的前10亿年发出的氢原子辐射抵达我们地球，波长已经被拉长到2米左右了。波长越长，望远镜接收天线的面积就要做得越大。目前世界上最大的单个射电望远镜，其接收天线已经是一个直径305米的“大碟子”，可是连这么大的射电望远镜也无法探测波长2米的信号。
　　这就是新一代射电望远镜需要采用天线阵列的原因。我们可以建许多单个的射电望远镜，把它们都连接到同一台超级计算机上。这就相当于一个拥有大面积天线的射电望远镜。此即所谓的“射电阵列”。


　　这些射电阵列工作起来也并非那么轻松：首先地球上充满着各种嘈杂的无线电通讯信号，这些人类的信号需要剔除；其次还要排除地球电离层对射电信号产生的严重干扰；另外还必须剔除来自我们银河系自身的射电信号。
　　克服这些困难的技术目前基本上已经成熟，预计来自宇宙“重电离时期”的首个氢原子信号将在未来5年内探测到。至于整幅氢原子分布图何时能够完成，这就不好说了。如果我国的“21厘米射电阵列（21-CMA）”还不能完全完成这项任务，那也不要紧，还有一项“千平方米天线阵列（SKA）”计划，这个射电阵列拟建在南非和澳大利亚西部，但要到2016年才开工。预计在2020年建成，它由100万个天线组成，收集面积达到1平方千米。
　　未来，美国宇航局还准备在月球背面建一个射电阵列，那样就可以避开地球电离层和人类通讯的干扰了。


　　超级链接
　　偷窥中微子和暗物质的真容

　　在粒子物理学的标准模型里，一种叫做中微子的粒子是没有质量的，但实验表明，中微子具有质量，只是这个质量很小而已，其具体数值至今未定。确定中微子的质量对于物理学家的研究非常重要，可惜要在地球上开展实验并非易事。
　　于是物理学家想到，可以通过测量中微子对宇宙结构的影响来探知它的质量。中微子的引力（虽然单个的中微子质量很小，但在整个宇宙中中微子数量惊人，产生的引力也不可小觑）会使物质分布更加均匀。宇宙受中微子影响变得更加均匀的情况，则可以告诉我们自宇宙大爆炸以来中微子飞行得有多远，有多快，而这一切又跟它的质量有关。通过这种办法，我们虽然不能准确测量中微子的质量，但可以给出质量的上下限。
　　物理学家还认为构成了宇宙中物质总质量的80%以上的东西，是不可见的暗物质。但构成暗物质的是什么粒子呢？物理学家对此至今还莫衷一是。迄今物理学家提出的大多数候选暗物质粒子都能够自我湮灭，即两个完全相同的粒子碰在一起就要湮灭，释放能量，并把周围的环境加热。那么这一定会在氢原子分布图上留下印迹，所以描绘出宇宙早期氢原子的分布图可以帮助我们缩小暗物质粒子的寻找范围，甚至可能揭示它另外的一些性质。