在大霹雳放出光亮后不久，所有的光消散了，宇宙陷入黑暗之中。约10亿年后，宇宙重现光明；天文学家正致力解开其中的秘密。
撰文／雷蒙尼克（Michael D. Lemonick）
翻译／李沃龙
重点提要
■宇宙的第一代恒星与星系完全不像我们今天所见的天体，天文学家企图「回溯时光」，研究宇宙最早天体的起源。
■「再游离化」是指光游离了当时弥漫在宇宙里的中性氢，天文学家对于再游离化的原因特别感兴趣。
■观测数据与电脑模拟显示，具有上百万太阳质量的恒星或能喷出气体的巨大黑洞，可能是推动再游离化的天体。
大约138亿年前，或更详细地说是在大霹雳后约40万年，宇宙突然陷入无尽的黑暗之中。在那一刻之前，整个宇宙是一团高温、炙热而翻腾不止的电浆──包含质子、中子与电子的致密气体云。假如有人能在当时观察整个宇宙，会发现它看来就像一团灿烂夺目的浓雾。
大霹雳后38万年，宇宙经历了难以想像的明亮，膨胀中的宇宙持续降温、浓雾消散，直到足以形成氢原子，这个事件称为再复合（recombination）。随后万物遁入黑暗之中，宇宙进入了天文学家所谓的黑暗时代。
那是名副其实的漫漫长夜。即便第一代恒星开始发光，它们最耀眼的光其波长全都落在光谱的紫外线波段，那正是刚形成的氢气最容易吸收的光。宇宙用它最初高温、绚烂的浓雾，换来一片凄冷的黑雾。
这片黑雾最后消褪了，但是究竟为何消褪，却是个长期困扰天文学家的问题。这或许是由第一代恒星完成，因为在一个称为「再游离化」（reionization）的过程中，恒星发出的强烈光线缓慢但持续地击破氢原子。此外，再游离化所需的能量，也可能来自高温气体坠入巨大黑洞时产生的辐射。
毫无疑问地，要明了再游离化何时与如何发生的关键，就是找寻宇宙中最古老的天体，并梳理出它们的来源与本质。第一代恒星何时开始发光？它们的样貌为何？个别恒星是如何聚拢组成星系，并且几乎在每个星系的核心区域都可发现超大质量黑洞，那些星系又是如何形成黑洞？再游离化究竟是在恒星到星系、再到黑洞过程之间的哪个时刻发生？而这个过程是逐步或瞬间达成？
自1960年代起，天文物理学家便开始思考这类问题。但直到最近，天文望远镜与电脑模型的功能大增，才足以提供部份解答：后者模拟宇宙第一代恒星的出现与演化，而前者则搜集大霹雳后五亿年内的微弱星光证据，那个时段正是第一代星系的襁褓期。
点燃巨星
大约10多年前，天文学家相信他们已充份理解第一代恒星的起源。再复合结束后，充斥在宇宙中的氢原子随即均匀散布至广大的空间中。另一方面，暗物质早已开始汇聚，形成平均质量介于10万~100万太阳质量之间的结构，称为「晕」。这些晕的重力会吸入氢原子。当气体越来越集中，温度也越来越高，最终化为一团烈焰璀璨的火球，就形成了宇宙第一代恒星。
原则上，这些天文学家称为第三族恒星（PopulationIII star）的第一代恒星，应该能破除氢气的遮蔽而使宇宙再游离化，但这其实取决于这些恒星的本质。假如它们不够明亮或活得不够久，就无法顺利达成这个过程。
这些恒星的本质与体型息息相关。10多年前，天文学家普遍认为它们都是体型巨大的恒星，每颗恒星的质量约是太阳的100倍以上（参见42页〈宇宙的年轻巨星〉）。这是因为当一团气体云受到重力而塌缩时，温度会升高，高温产生的辐射压力能抵抗重力；除非恒星能排出这些热能，否则将会严重阻碍气体云的塌缩。
第一代恒星主要由氢构成，这种元素的散热能力相当差。（像我们太阳这种恒星，具有诸如氧与碳这类微量但极重要的元素，可帮助它们冷却。）结果使得早期宇宙中的原恒星会持续累积氢气，但恒星内部的高压阻挠它形成致密核心，以至于无法启动核融合反应，来把周遭的气体送回太空。于是恒星便继续吞食越来越多的气体，直到建构出一个松散的大质量核心为止。
2014年在美国哈佛大学担任博士后研究员的葛瑞福（Thomas Greif）表示：「但现在看起来，事情有些复杂。」这些最新的电脑模型不仅包含重力，也包括了一套方程式，可用来描述气体塌缩时不断增压的氢气所产生的效应。模拟结果显示，塌缩的氢气云可形成许多不同结果：在某些状况下，可形成上百万太阳质量的第一代恒星；在其他状况下，则碎裂成许多只具有数十太阳质量的恒星。
这些巨大体型的差异意味第一代恒星的寿命长短范围相对大，因此也影响了再游离化的发生时机。具有100太阳质量以上的巨大恒星，是天文学上放荡不羁的摇滚巨星：它们的生活节奏快速而寿命短暂。较小的恒星消耗核燃料的速率较慢，如果恒星真的是造成再游离化的原因，代表整个过程将十分漫长、延续好几亿年。
黑洞之光
无论这些恒星的体型多大，它们在塌缩成黑洞前，都会化为超新星、壮烈结束生命。而这些黑洞或许比其前身恒星，更适合推动再游离化的形成。
黑洞贪婪地吞食周遭的气体，当气体坠入时，会受到强力挤压而使温度陡然升高到好几百万度。虽然这些炙热无比的气体最终大多坠入黑洞而消失，但有些会以喷流型态返回太空。这些喷流极为明亮，即使相隔半个宇宙都还能看见它们发出的光，我们把这些灯塔般的天体称为类星体（quasar）。
1960~1990年代，类星体是唯一可用来探索早期宇宙的工具。起初，天文学家对于这种天体毫无头绪。类星体就像是附近的一颗恒星，但具有巨大的红移──它们发出的光因宇宙膨胀而变红。那令人印象深刻的红移显示，类星体比任何恒星与我们之间的距离遥远许多，也比那些恒星明亮许多。天文学家找到的第一个类星体是3C 273，它的红移是0.16，经过换算，显示它的光从20亿年前便已出发旅行了。
普林斯顿大学的天文物理学家史特劳斯（MichaelA. Strauss）说：「没隔多久，人们很快便发现了红移2的类星体。」显示它的光已旅行长达100亿年以上。1991年，施密特（Maarten Schmidt）、甘恩（James E.Gunn）与史奈德（Donald P. Schneider）在美国加州帕洛玛天文台合作，发现了一颗红移4.9的类星体，这可追溯至125亿年前，或大霹雳后约10亿年。
不过在分析这颗红移4.9的类星体数据后，却没发现任何证据显示中性氢吸收掉它的光。显然宇宙在这个类星体的光抵达地球之前，便已完全再游离化。
整个1990年代期间，未曾有人成功发现更遥远的类星体，这并非是欠缺威力强大的观测工具所致。早在1990年代前期，哈伯太空望远镜（Hubble SpaceTelescope）与位在夏威夷茂纳开亚火山上的凯克望远镜（Keck telescope）便已开始运作，显著提升了天文学家探索太空的能力。反而是因为类星体实在太稀有了，它只会由最重的超大质量黑洞爆发形成。而且从我们的位置看来，除非它的喷流恰好直接正对着我们，否则根本看不到它耀眼的光。
此外，只有当黑洞活跃、可吞食气体时，这些喷流才能存在。对大多数黑洞而言，这类活动的高峰期发生在红移2~3，这个时期的星系平均而言具有比今天更多的气体。如果观测超过这个距离，类星体的数量将迅速降低。
直到2000年时，史隆数位巡天计画（SDSS）利用当时所能建造出最大的数位侦测器，有条不紊地搜寻一大片天空，才打破这项纪录。加州理工学院的天文学家艾里斯（Richard Ellis）表示：「SDSS非常成功地找到许多类星体，红移超过5.5就有40或50颗类星体。」
上述信息转自科学人杂志http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=2418
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