全球观察：宇宙大爆炸之后又发生了什么

• 2023-01-09 12:18:49 来源：科普时报

科普时报实习记者 李诏宇

“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？”两千年前的大诗人屈原在名作《天问》中这样描述人类对于宇宙起源的困惑与迷茫。千万年来，人类每次仰望星空，心中大多会兴起与屈原类似的疑问——宇宙是如何起源的？这一追问如同科学探索之路上一座永不熄灭的灯塔，指引着无数天文学上的先驱和探索者们踏上追求真理的征途。

对于宇宙的起源这一问题，现代宇宙学理论提出了解答——可观测宇宙起源于大约140亿年前的大爆炸。但我们是怎样知道关于宇宙大爆炸的这一切呢？在宇宙大爆炸之后又发生了什么？宇宙大爆炸之后的宇宙黑暗时代和宇宙黎明是什么？它们隐藏着什么样的秘密？科学家们准备怎样考古我们的宇宙？

(资料图片仅供参考)

针对上述问题，近日举办的首都科学讲堂邀请到了中国科学院国家天文台研究员、“天籁计划”和“鸿蒙计划”首席科学家陈学雷，以《宇宙的黑暗时代与黎明》为题，为我们揭开宇宙起源的秘密。

讲座分为宇宙的故事、大尺度结构与结构形成过程、宇宙的黑暗时代与黎明、低频射电的空间观测“鸿蒙计划”4个部分。在宇宙的故事这一部分中，陈学雷首先以《天问》开篇，引出了关于宇宙起源的相关问题。随后，他鞭辟入里地指出了我们与古人在认识宇宙起源上最大的不同，即我们可以通过包括望远镜在内的各种先进工具，而非单独的理论思辨去认识宇宙起源。陈学雷将望远镜比做了“时光机”，形象生动地说明了为何我们可以通过望远镜看到宇宙过去的模样。

陈学雷介绍说，现代宇宙学的基础是爱因斯坦提出的广义相对论。后来的科学家们在广义相对论的基础上对宇宙的起源这一问题进行了广泛的探索。天文学家斯莱弗观测到各个星系的光谱大多为红移，即远离我们所在的银河系。但受限于技术条件等原因，斯莱弗没能对这一现象提出较好的解释。天文学家哈勃在斯莱弗的基础上，进一步对星系的红移现象进行了量化，得出了距离我们越远的星系红移速度越快，即远离银河系的速度越快这一量化结论。宇宙大爆炸理论在后世不断发展，最终成为对于宇宙起源最权威、最为人们所广泛接受的理论之一。

在大尺度结构与结构形成过程这一部分中，陈学雷首先解释了大尺度结构的含义，即比星系更大的尺度。宇宙开始于大爆炸，在大爆炸之后大约40万年的时间，宇宙中的等离子体变为了普通气体。这也标志着宇宙大爆炸的结束，宇宙进入了黑暗时代。在宇宙的黑暗时代，恒星和星系还尚未出现，宇宙中充斥着气体和暗物质。这些暗物质的结构在增长，并最终形成了非常复杂的纤维状的结构，即暗物质晕。在引力坍缩等过程的作用下，第一代的恒星、星系于暗物质晕中形成，宇宙迎来了宇宙黎明。第一代的恒星和星系发出来的光，将其周围原本中性的气体进行了再电离，宇宙再电离开始。

陈学雷进一步解释说，我们之所以能通过宇宙微波背景辐射看到宇宙大爆炸时期发出来的光，却难以通过类似的方式一睹宇宙的黑暗时代与宇宙黎明时期的场景，正是因为那个时期的恒星数量十分稀少且距离我们十分遥远导致的。伴随着新一代恒星的产生，其辐射和重元素反过来影响了周边的环境与后续恒星的生成。第一代星系和第一代大质量黑洞的形成，同样对宇宙环境产生了巨大而深远的影响。陈学雷说，尽管目前我们对于宇宙的黑暗时代与宇宙黎明的认识比较有限，但随着相关技术的攻关突破，在未来我们一定能对其有更加深刻的认识。

在低频射电的空间观测“鸿蒙计划”这一部分中，陈学雷分享了他本人参与的“鸿蒙计划”研究工作的相关信息。相对于传统依托于地面望远镜等设备的地面观测，“鸿蒙计划”强调要到太空中去观测宇宙。由于地球大气对观测宇宙有较为严重的干扰，到太空中去观测宇宙具有更为精确、更高效率等诸多优势。

陈学雷指出，相关研究表明，关于宇宙早期的大部分观测信息，都包含在宇宙黑暗时代的原初扰动中。在这些原初扰动中包含的信息，比我们现在观测到的宇宙微波背景辐射得到的信息要多100万倍。如果在未来我们能够探测到宇宙黑暗时代的原初扰动，我们就可以获得关于宇宙起源的终极信息来源。“鸿蒙计划”本身只是上述探索过程的第一步。在未来，人类可能需要在月球背面或月球轨道上建立一个巨大的观测阵列，才能实现上述目标。陈学雷希望，下一代甚至是下下代的天文学家最终能获取宇宙起源的终极信息来源，更好地了解宇宙起源的秘密。

标签： 黑暗时代 宇宙大爆炸 天文学家

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