寻找最早的光

一直以来，科学家们都致力于寻找宇宙中的第一道光，那道“神创造的、最早的光”。通过哈勃望远镜，我们已经看到了133亿光年外的星系，也就是133亿年前的星系，这是我们看到的最遥远也是最早的星系。

这个133亿光年的距离，是怎么来的呢？其实我们在【科学有道理】系列栏目里介绍过，今天再提一次，那就是天体的红移。简单来说，就是多普勒效应。天体传到地球的光，本质上是电磁波，由于波源在远离我们，所以波长会加长，导致光谱会偏红，这就是红移。通过红移值z（计算方法如下，其中λ是观测到的波长，λ0是原波长；f是观测到的频率，f0是原频率），可以推导出这些天体的距离。

很容易知道，z=0的时候，λ=λ0，也就是说，这个点就位于我们脚下，所以距离我们也是0，说白了就是地球，或者说太阳系（以至于银河系）。通过这个红移值，科学家计算出了那个星系的距离是133亿光年。

根据科学家现在的研究，宇宙的年龄在普朗克卫星的修正之下被认为是138.2亿年。也就是说，在这个星系之前，宇宙还经历了5.2亿年左右的岁月。

那么，我们是否可以继续发展望远镜的观测技术，继续观测到更久以前的宇宙呢？

很困难。也许能，但是会有一个极限。也就是说，到了某一个年代，无论我们用多大口径的望远镜，只要不是革命性的技术提升，就无法看到那时候的宇宙。

这个是当然的，距离越远，看起来越困难。而且，由于宇宙在膨胀，还额外增加了观测的难度，其亮度会以（1+z）^2 的规律衰减。对于哈勃太空望远镜来说，观测红移值为7的天体基本上已经到极限了。这个距离的天体，大约是宇宙诞生后5.2亿年的天体。

比较离奇的是，尽管红移值为7的宇宙，我们目前不可能观测到，但是红移值为1100的宇宙，我们还是能观测到的。别看这个红移值的区别好像很夸张，但其实时间间隔也是也还好。1100的红移值，大约是宇宙大爆炸后38万年的时候。这是由于宇宙微波背景辐射的功劳，让我们见识到了最最原始的宇宙。

所以，这个中间的宇宙阶段，也就是大爆炸后38万年到5.2亿年（也就是说z在7~1100之间）的宇宙阶段，我们什么也看不见。

这个宇宙阶段，就是宇宙的黑暗时代。

宇宙黑暗时代

我们前面讲过，在宇宙刚刚形成的时候，由于温度实在太高，到处都充斥着“热锅上的光子”，它们根本安心不下来。随着宇宙的膨胀，温度不断降低，它们终于“冷静”了。重子开始结合，形成了氢原子（占了约92%），其余为氦，也有极少量的氘、锂，没有更重的元素了。

当所有的原子都结合完毕，这个宇宙突然“懵”了：我的人生还有啥追求？粒子都老实了，我是不是该安度晚年了？

我们知道，原子整体是不带电的，电子安心地围绕在原子核周围。在氢原子的周围，还是氢原子、氢原子、无数的和它一毛一样（当然这个说法未必严谨，但是好理解）的氢原子。大家都很稳定，“井水不犯旁边井里的水”。

就像我们说的，原子不带电，也不发光，什么也不做，不吸收也不发射谱线。就在这样的情况下，整个宇宙归于沉寂。正是由于这个原因，我们看不到来自这段时期宇宙的任何光。别说可见光，就连红外线、微波等各种电磁辐射都检测不到。

比包大人还黑。

可能宇宙不想白过这一生，证明它不是个肤浅的宇宙。

不过，大家黑，才是真的黑。

黑暗中的微光

正所谓“是银子总会花光的，是原子总会发光”的，这些氢原子，终究还是给我们留下了蛛丝马迹。一头漆黑秀发的宇宙，终于褪去了发际线，露出了一点“光芒”……

这就要从原子结构说起了。

我们知道，氢原子的本质，就是一个电子和一个质子。质子和电子本身都在不断地旋转，叫做自旋。它们的自旋有两个方向（我们用正和反来表示），所以它们的相对状态有两种，要么同向，要么反向。

在宇宙黑暗时代，一半的氢原子是同向的质子-电子组合，另一半是反向的质子-电子组合。而这两个粒子似乎就喜欢“对着干”，前一种情况的电子在漫长的岁月里会发生翻转（实际上是一种跃迁），变成和质子自旋方向相反的状态。在这个过程中，会有能量的释放，释放出光子，这个光子的波长为21厘米，因此被称作21厘米线，又叫氢线。

对于科学家来说，这是“不幸中的万幸”，让那个黑暗的时代现出了一丝光明。因为这个波长的光（虽然由于宇宙膨胀带来的多普勒效应使一部分氢线波长被拉到2米），属于微波的范围，它可以很好地进入地球的大气层，被我们检测到。

这个跃迁的概率其实极小，只有2.9×10^−15每秒，换算一下，就是平均每一个电子需要接近1100万年才能发生翻转。好在，宇宙的时间和原子数量岂是一个区区15次方就比得了的？因此，对于我们来说，依然有足够的观测对象，让我们了解那个黑暗时代。

绝佳观测地点

不过，这个氢线也不是那么容易观测的。我们首先要有足够强大的设备，虽然人类构建了大量的望远镜，但其实每一台都是利用不同的原理来观测宇宙，而为了观测宇宙的黑暗时期，我们必须要有收集微波的望远镜。其次，我们也要屏蔽地球磁场等各种因素带来的干扰，才能够清晰地看到这些谱线。

最合适的地点，大约就是月球背面了。由于背向地球，月球背面被月球巨大的身体几乎完美地保护了起来，避免了地球磁场的干扰。因此，月球背面一直是天文学家们梦寐以求的观测地。

巧了，月球背面就有一台探测器——嫦娥四号。不过，负责探索黑暗时代的不是它本身，而是它的伙伴——中继星鹊桥号。

鹊桥号上搭载了两颗实验小卫星，可以收集宇宙深处的微弱信号。同时，嫦娥四号上也携带了一个接收器，与鹊桥号搭配，获得干涉效果，来观测宇宙黑暗时代。据中国科学院空间科学与应用研究中心主任吴季介绍，接下来我国还要在月球轨道部署一个“卫星编队”，全面开展对宇宙黑暗时代的探索。

除了我国之外，美国自然也是有这个决心的。很早的时候，他们就开始考虑在月球背面建立一个大型观测系统，名为是“黑暗时代月球干涉仪”( DALI）——由数十万天线构成的跨幅达48公里的巨大望远镜。不过，目前来看，这项计划还没有正式开始实施的样子。

现在我们知道，宇宙并没有一直沉寂下去。尽管在黑暗中度过了几亿年，但宇宙还是慢慢苏醒，慢慢点亮了。那么，宇宙究竟是怎么“复活”的呢？在【宇宙诞生日记】第三期的文章中，我们会为大家解答这个问题。如果你感兴趣，烦请点击一下关注，第一时间阅读下一期文章，也可以获得更多有趣的知识，感谢支持！

【宇宙出生日记】传说中的大爆炸，宇宙的野蛮生长

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