基本介紹
- 中文名：宇宙初期
- 研究對象：宇宙
- 學科：宇宙學、天文學
- 關鍵字：大爆炸、黑洞
由來,原因,黑洞,觀測,模擬,觀點,
由來
大爆炸後
剛剛平靜下來時，眩目的熱輻射燒毀了所看到的一切，熱輻射來自何方，依然是宇宙史上空白的一頁。“這無疑是威爾金森微波背景輻射各向異性探測器(WMAP)最激動人心的一個發現。”這也許是一個誇大的斷言，但坎布里奇大學的天體物理學家J·奧斯特列克卻不承認失言。去年，檢驗了大爆炸留下的輻射的WMAP有了關於宇宙中的一個驚人發現。
大爆炸後
大爆炸後大爆炸後，宇宙瞬間充滿了大量眩目的、熾熱的電子和氫離子以及氦離子。熾熱意味這些粒子具有非常大的能量，所以不能結合為中性的原子，宇宙需要38萬年才能冷卻到足以使電子和離子重新結合。宇宙初期，一些原子和分子互相碰撞聚結為第一批星體，這些星體發出的輻射又開始剝離周圍原子的電子，這一時期又稱為“再度電離”的時期。
再度電離
但根據WVIAP的分析，再度電離化開始於宇宙形成後僅2億年時。按照WMAP的設計師之一、新澤西州普林斯頓大學D·斯帕吉爾的看法，這比以前天文學家大多推測的要早7億年左右。
這一結果讓理論工作者忙著去尋求解釋:初期宇宙潛藏著什麼東西，能夠有足夠的能量使其氣體離子化?雖然天文學家最初一直猜想是第一批星體，現在卻開始懷疑有其他某種解釋。會不會是第一批黑洞?甚至是否可能是暗物質?
找到這些問題的答案一定會填補宇宙史的空白。按照聖克魯斯加利福尼亞大學P·麥道的看法，宇宙的初期是決定性的時期。“再度電離決定著隨後發生的一切，”他說。
例如，考慮如何再度電離就能確定星系的大小。最終結合為星系的物質必須冷卻以後才能聚結成星系—太過熾熱，其組成就會跳動得十分劇烈，所以引力就不能把它們結合到一起。由於再度電離會加熱一切，因此除非引力足夠強大，否則無論什麼都難於結合到一起。因此銀河前雲團在有強烈的電離輻射下能聚結為星系的唯一可能，就是其規模十分大，因而其引力能克服推斥的能量。
那么，以前科學工作者估算的再度電離的起始時間何以如此離譜呢?首先，我們原先考慮和了解的一切都是以推論為基礎。估算都是以分析遙遠的類星體發出的光為基礎，這些類星體的能量是由把物質轉變為輻射的黑洞提供的。但是能顯示再度電離時期的類星體只是在大爆炸後大約10億年才形成。推斷要多長時間才能形成第一批星 體——第一批可能的再度電離輻射源——始終是非常棘手的問題。 "WMAP讓我們首次有可能回溯到很遠。”斯帕吉爾說。
宇宙初期
宇宙初期儘管WMAP不能直接看到第一批星體，但它能度量後者對宇宙微波背景的光子的極化效應(大爆炸剩留的輻射)。正是由於這個效應，WMAP才能確定開始再度電離的年代。
原因
最有可能引起再度電離的，一定是這第一批星體。它們應是由當時僅有的氫和氦組成的(天文學家稱為“金屬”的，較氦重的元素直到後來被鑄成星體的核心時才存在)。但是這些星體一定得很巨大—要大到引力足以克服熱氣流的壓力。賓夕法尼亞州立大學的T·阿貝爾對這些星體的形成進行了計算機模擬，發現第一批星體應十分巨大:約為30至300太陽質量的數量級。
根據哈佛天體物理學家羅伊布的估算，這些星體的表面溫度應為1000000K，這樣的強熱足以產生大量紫外光子，後者能剝離氫分子的電子。100太陽質量左右的星體能電離1000萬太陽質量的氫，“這就是說，只要宇宙全部氣體的1 / 100000轉化為這樣的星體就可使一切離子化，羅伊布說。”
儘管這些星體貌似想像中的引發再度電離的源頭，但這一構想仍然存在很大的問題。這些龐然大物雖然能引發再度電離過程，但它們或許不能一直進行到把初期宇宙中的一切物質全部離子化。這是因為它們的電離能會阻礙形成更多的星體。
巨大的星體會分裂，並使周圍所有的氫分子離子化。然而氫分子對於星體形成過程至關重要，它是主要的冷卻劑。故一旦出現第一批星體，到相當數量的其他星體形成使宇宙中全部的(至少相當大的一部分)剩餘氣體再度電離，其間會有相當的滯後。
即使在阿貝爾的模擬中，似乎說明最早的一批星體可能出現在大爆炸以後僅1億年，當時(WMAP的數據表明宇宙已再度電離)全然不足以使宇宙再度電離。“還需要別的東西來做完這件事，”斯帕吉爾說。
那么“別的”是什麼東西呢?或許它就是在第一批星體消失時形成的黑洞。發表於《天體物理學雜誌》的論文中，坎布里奇大學的麥道和里斯等人認為，100太陽質量或更大質量的黑洞應是比星體大得多的電離輻射源。麥道說“如果沒弄錯的話，相對於星體來說，在輻射方面黑洞占絕對優勢。”
黑洞
為求可靠起見，我們首先必須了解是否到處有足夠的這種黑洞。這取決於這些初期星體的質量。
天體物理學家早就知道巨大的星體會坍縮形成黑洞。但有些星體會一下子突然死亡，破裂為超新星。德國馬普研究院的謝亞迪認為，如果第一批巨星在40 - 140太陽質量之間，或大於260太陽質量的星體，當其死亡時就會形成黑洞。而140至260太陽質量之間的星體就會破裂為超新星。
然而要確定第一批星體的精確的質量分布卻十分困難。這要求強化模擬，利用形成星體的氣體的雲團，跟蹤從星體的生成到死亡的演變過程。不過可以用其他的一些方法來蒐集信息。定於今年晚些時候進入軌道的快速X射線望遠鏡會提供關於第一批黑洞豐度的信息。它將證實每年約有100個r射線爆裂，有些發生於宇宙十分年幼時。最近的看法認為，每一次爆裂就標誌形成了一個新的黑洞。“如果第一批星體形成黑洞，那么我們完全有可能用快速x射線望遠鏡看到它們。”阿貝爾說。
觀測
哈勃望遠鏡的第二代，詹姆斯·韋布太空望遠鏡定於2011年發射升空，它將能發現由第一批星體生成的超新星。“我們無法看到第一批星體本身，哪怕它們比太陽明亮百萬倍，”阿貝爾說，“如果超新星比太陽明亮10億倍，情況就完全不一樣。”
這些觀測有助於我們了解坍縮形成黑洞的第一批星體所占的比例。到那時候，我們也就會得到宇宙射頻觀測的其他線索。中性的氫分子發出波長為21cm的輻射，但由於宇宙的膨脹紅移至較長的波長，繼續下去更是如此——因此回溯的時間更遠。這可以揭示再度電離的多種細節。首先，它可以讓我們了解產生離子化輻射的情況(主要由類星體引起離子化的宇宙)，看來完全不同於主要由星體引起離子化的宇宙。這是因為類星體發射出X射線，而後者比由巨星體產生的紫外線傳得更遠，更均勻地擴散到宇宙中去。所以類星體較之星體會產生更大的離子化區域。
“是否可把宇宙想像成瑞士乾酪，”奧斯特列克說，“紫外線首先會使孔(星體周圍的光亮點)離子化，而X射線則往往使乾酪—其間大得多的低密度區離子化。”通過氫輻射的射電觀測可揭示初期宇宙離子化區域的大小和分布，有助於回答離了化主要是由星體還是由類星體造成的問題。
通過觀察中性氫分子不同紅移的豐度，天文學家可以獲得迅速發生再度電離的清晰圖像。這可以說明中性氫分子的信號隨著時間的推移而逐漸減弱，表明也會逐漸出現再度電離。反之，如果中性氫分子的信號迅速跌落至零，那就表明可能出現兩個分開的再度電離的峰，甚或多個峰。
“可能有各種不同的變化，我們不知道哪一種是正確的，”羅伊布說。但是我們可以比較快地得到某些答案:例如，今後10年內，荷蘭的覆蓋1平方公里的射電望遠鏡陣列會源源不斷地提供各種數據。但還有若干問題有待天文學家解決，方能確定星體和黑洞在再度電離中的重要性。如初期的類星體如果周圍沒有足夠的氣體進入其中的黑洞，那么它就不會發光，現在還沒人能保證有足夠的“食物”來供應這些“餓獸”。
科學觀點
WM.AP的測定結果還是有一些值得商榷的不精確性。儘管該研究組確信再度電離開始於大爆炸後的2億年，但數據的誤差範圍就意味著可能發生在大爆炸後1億年至4億年之間。如果再度電離早在大爆炸後的1億年發生，宇宙學家就會用全新的物理過程來解釋它，因為看來在那么早的時期無論如何不會有足夠數量的星體或黑洞等通常的離子化源引起再度電離。
一個可以接受的解釋乃是某種暗物質的衰變。物理學家認為，再度電離可能是由比正常的中微子重千萬倍的中性重中微子的衰變所引起的，但問題在於沒有人敢肯定這種中微子的存在。WMAP研究組正在對數據進行更精細的分析，普林斯頓大學的佩奇說，不久他們可望準確地說明再度電離開始於大爆炸以後1.5億至2億年間的某一時段，從而證實他們最近的實驗結果。
迄今為止，WMAP查明的其他一切——關於暗物質、暗能量、宇宙年齡和宇宙狀態—“非常接近我們的推測”，奧斯特列克說。但是所取得的有關再度電離的數據已經對我們關於宇宙初期的描述提出了質疑:宇宙初期的布局究竟是怎樣造成的?一旦獲得新的數據，就可彌補某些我們理解的缺陷，最終天文學家和宇宙學家就能夠書寫明確的宇宙史了。
黑洞和星系
利用巨型望遠鏡，天文學家發現了一個遙遠的恆星工廠。在那裡，每10小時就有誕生。這個恆星託兒所圍繞在一個超大黑洞周圍。該黑洞釋放出巨大的能量。這一發現為一個相對較新的觀點提供了證據，即黑洞和星系是在宇宙誕生初期共同成長起來的。
根據這一描述，黑洞的最初形成應伴隨著大量恆星的誕生，但是到目前為止，這一點很難證實。許多距離我們很遠的類星體——發光的各個星系，原來被認為是由大的中央黑洞來提供能量——如今則認為其中含有暖塵埃。這些暖塵埃在紅外線波長時發光。但目前尚不清楚的是，這種塵埃的加熱靠的是物質吸入黑洞時產生的能量，還是新生恆星的輻射。
模擬
美國聖弗朗西斯科大學卡羅斯·蒙圖法爾博士指出，2007年實驗室的實驗將在歐洲由美國、日本和俄羅斯的科學家共同協作完成，目的是研究暗物質和暗能量??現代科學中最神秘的問題。
實驗思想基於模擬大爆炸之後千分之一秒發生的粒子碰撞，並將實驗結果與標準宇宙結構模型進行比較。科學家們指出，現代科學只能解釋宇宙中4%的暗能量和暗物質。現代科學認為，宇宙是由於大約120～140億年前的一次大爆炸而誕生，從那時起宇宙在持續膨脹，膨脹特性只能用像“暗能量”這樣的作用力來解釋。
觀點
歷史發展到今天，關於宇宙的模型總算有了好幾個蘊藏著科學內涵的說法，其中最有影響的是“大爆炸宇宙學”。它能夠解釋許多的觀測事實。這個理論的主要觀點是，認為“我們的宇宙”??“觀測到的宇宙”曾經有過一段從熱到冷的演化史。在這個時期內，宇宙體系在不斷地膨脹著，物 質密度也隨之從密到疏地演化。這一從熱到冷、從密到疏的過程如同一次規模巨大的爆炸。
前不久，來自美國、日本、歐洲和拉丁美洲的物理學家在厄瓜多加拉帕戈斯群島聖克利里斯托瓦爾聚會，來自美國榮獲諾貝爾物理學獎的著名科學家弗蘭克·維爾切克和萊昂·萊德曼博士也參加這次聚會。
