第一批恒星

宇宙的黎明如何到来？

第一批恒星是怎么形成的？

■撰文：保罗·萨特（Paul Sutter）

也许在过去一百年研究宇宙的过程中，人们获得的最伟大的启示是，我们的家园会随着时间的推移而变化和发展。不只是发生微小的变动，还会发生重大的变化，比如恒星的移动，气体云的坍缩，大质量恒星在灾难性的爆炸中死亡。不，在遥远的过去，我们整个宇宙不止一次地改变了它的基本特征，在全球范围内——也就是宇宙范围内——完全改变了它的内部状态。举个例子，在雾蒙蒙的、不可追忆的过去，曾经有一段时间是没有星星的。

在第一束光之前

我们之所以知道这个简单的事实，是因为宇宙背景辐射的存在，这是一种浸透了整个宇宙的微弱但持久的辐射。如果你遇到一个随机的光子（一点光），它很有可能来自宇宙背景辐射——宇宙中99.99%以上的辐射都是由这种光产生的。它是宇宙诞生27万年时遗留下来的痕迹，从炙热、翻滚的等离子体过渡到中性混沌（没有正电荷或负电荷）状态。这种转变释放出白热辐射，在138亿年的过程中，冷却并拉伸成微波，形成了我们今天可以探测到的背景光。

在释放宇宙背景辐射的时候，宇宙的体积大约是现在的百万分之一，温度高出数千度。它几乎完全均匀，密度差异不超过十万分之一。所以，这并不是一个恒星可以快乐存在的状态。

黑暗时代

在宇宙背景辐射释放（由于对更早时代的历史性误解，天文学界此前称之为“重组”）后的数百万年里，宇宙处于一种奇怪的状态。

白热辐射仍然持续存在，但随着宇宙继续其不可阻挡的膨胀，辐射迅速冷却。当然还有暗物质，它们也在活动着。

还有现在的中性气体，当时几乎全部是氢和氦，它们最终从与辐射的斗争中释放出来，可以随心所欲地运动。

这些中性气体最想做的事情就是尽可能自己待着。幸运的是，它们不需要特别努力：在极早期的宇宙中，微观量子波动扩大到在密度上仅有微小差异（为什么会发生这种情况是改天的故事了）。

这些微小的密度差异并不影响宇宙进一步膨胀，但它们确实影响了中性氢的寿命。任何一个密度比平均水平略大的区域——即使是很小很小的一点——对其邻居的引力也会略强一些。这种增强的引力促进更多的气体加入，这又加强了引力拖拽，从而促进了更多邻居的靠近，以此类推。

就像派对上大声播放的音乐会吸引更多人来狂欢一样，在数百万年的过程中，富有气体变得更丰富，而稀有气体变得更少。在简单的引力作用下，原本微小的密度差异逐渐增大，第一批巨大的物质团块就此形成，它们周围的环境也被清空了。

“宇宙黎明”破晓了

在某个地方，一些中性氢很幸运。它们一层一层地堆积起来，最里面的核心达到了临界温度和密度，迫使原子核以一种复杂的模式聚集在一起，在核聚变中点燃，将原材料转化为氦。这个剧烈的过程也释放了一点能量，第一颗恒星在一瞬间诞生了。

自宇宙大爆炸后的十几分钟以来，核反应第一次在我们的宇宙中发生了。新的光源散布在宇宙中，使曾经空荡荡的空间充满了辐射。但我们不确定这一重大事件发生的确切时间；这对于这个时代的观测者极为困难。首先，浩瀚的宇宙距离使我们最强大的望远镜也无法观测到第一束光。更糟糕的是，早期的宇宙几乎完全是中性的，而中性气体一开始就不会发出很多光。直到几代恒星黏合在一起形成星系，我们才能得到这个重要时代的一点模糊线索。

我们怀疑第一批恒星是在宇宙形成的前几亿年时间里，在某个地方形成的。不久之后，我们就直接观测到了星系、活跃的星系核，甚至是星系团（这是宇宙中最终出现的质量最大的结构）的起源。在它们之前的某个时候，第一批恒星必然出现，但不会出现得太早，因为初期宇宙的混乱状况会阻止它们的形成。

视野之外

詹姆斯·韦布太空望远镜 将能够非常精确地定位早期星系，提供大量关于早期宇宙的数据，但望远镜狭窄的视野并不能为我们提供这个时代的全貌。科学家们希望一些最早的星系可能包含第一批恒星的残余物——甚至是这批恒星本身，但直到目前为止，还没得到有关于此的好消息。

另一种解开宇宙黎明奥秘的方法是依靠中性氢的一个惊人特性。当电子和质子的量子自旋发生随机翻转时，氢会发出一种特定波长的辐射：21厘米辐射。这种辐射使我们能够在现在的银河系中绘制出中性氢区域，但现代与宇宙黎明时代的极端距离则带来了完全不同的挑战。问题在于，自那个早已消亡的时代以来，宇宙一直在膨胀，这导致所有星系间的辐射都延伸到了更长的波长。如今，原始中性氢信号的波长约为2米，将信号牢牢地置于无线电波段。宇宙中的许多其他事物——超新星、星系磁场、卫星——在相同的频率下都非常强烈，掩盖了宇宙早期发出的微弱信号。

全球有几项任务试图锁定这一诱人的宇宙黎明信号，从如今的杂音中挖掘出它最初发出的信号，并揭示第一批恒星的诞生。但目前为止，我们还是只能等待接收这些信号。 MbGzqhHzYITtNxKrv8gzMg4f1eIQhatt9tALqNsWo74EJ3iJEhtMhES5giSnCKZJ