宇宙黎明在大爆炸后 11 亿年结束

我们都熟悉电视节目《生活大爆炸》的著名开场白。 这是一首以诗句开头的歌曲:“整个宇宙处于炽热的稠密状态……” BareNakedLadies乐队. 事实证明,这不仅仅是一条可爱的线。 女士们是对的——它准确地描述了很久以前宇宙正在发生的事情。 大爆炸之后,宇宙变成了炽热、致密、迅速膨胀的等离子体汤。 它也处于宇宙“黑暗时代”,因为没有光源。 只是……嗯……黑暗。 而且很热。

来自遥远类星体的光所揭示的宇宙历史视图的示意图。 望远镜观测提供了大约 138 亿年前大爆炸之后的再电离时代或宇宙黎明(气泡,右上角)的信息。 图片来源:卡内基科学研究所/MPIA。

接下来发生了什么? 当然,地球还不存在,自养生物或尼安德特人或歌曲中提到的任何其他东西也不存在。 这一切在时间、空间和宇宙演化方面都遥遥无期。 甚至没有一丝光亮。

为了弄清楚,宇宙必须经历热汤时期。 这大约持续了 38 万年。 在那段时间里,宇宙膨胀和冷却,这导致了它的下一个存在状态。 当它冷却时,质子和电子能够结合并产生大量的中性氢。 宇宙在这个以中性氢为主的时期度过了大约 1 亿年。 然后(让人想起电影 2010 中的一句台词),奇妙的事情发生了。 第一批恒星和星系开始形成。


立即删除 Universe 上的所有广告

只需 3 美元即可加入我们的 Patreon!

获得终生无广告体验

对于恒星,你会得到热量——或者,更科学地说,是电离。 当来自那些炽热的年轻大质量恒星的紫外线撕裂氢原子并将电子与质子分离时,就会发生这种情况。 好消息是,当你有电离时,你就有光。 伙计们,这就是宇宙怎样在大爆炸后几亿年被点亮的执行摘要。 它进入了宇宙学家所说的“再电离时代”——宇宙中的曙光。

类星体之光揭示了更多关于黎明的信息

天文学家知道这个“宇宙黎明”何时开始,但他们仍在争论它何时结束。 这不仅仅是一些学术活动。 确定宇宙黎明结束的准确“日期”很重要。 它可以帮助他们了解点亮事物的第一代恒星。 而且,一旦天文学家掌握了有关这些早期天体的更多信息,许多其他宇宙学问题也可能得到解答。

对那个终点的搜索导致海德堡马克斯普朗克天文学研究所的 Sarah Bosman 博士和一组天文学家寻找氢的线索。 不仅仅是任何氢,还有在宇宙黎明之前就存在的中性版本。 他们认为他们可以找到一种方法来观察所有被早期恒星电离的时间点。 如果是这样,他们就会知道宇宙黎明的结局。

为了找出答案,他们筛选了来自 67 个遥远类星体的光流。 他们观察到的一些光来自在一个名为 XQR-30 调查. 它使用了安装在智利超大望远镜(VLT)上的欧洲南方天文台的 X-shooter 光谱仪。 X-shooter 提供其目标的极高分辨率光谱。 光谱显示目标发射或反射的光的分量波长。 (在此处了解有关光谱和光谱学的更多信息。)

从宇宙黎明穿越宇宙

X-shooter 捕捉到的类星体光穿过距离我们不同距离的氢云。 光穿过电离云和中性云。 中性氢在波长为 121.6 纳米的类星体光的光谱上留下了特征性的“指纹”。 那是在电磁光谱的紫外线范围内。 然而,由于宇宙的膨胀,光看起来“移动”到光谱的红色端。 天文学家说它是“红移”的,红移的量为发光物体的距离提供了线索。

宇宙黎明在大爆炸后 11 亿年结束 1
我们从地球上观察宇宙的过去。 类星体发出的光穿过早期星系附近的再电离时代已经部分电离的气体。 星系之间的中性氢气将它的存在印在光上,光谱揭示了这一点。 由 MPIA 图形部门提供。

距离数据让博斯曼及其同事对宇宙黎明的结束进行了精确测量。 它发生在大爆炸之后 11 亿年的时间点。 “我对宇宙经历导致太阳和地球形成的不同阶段的想法着迷。 很荣幸能为我们的宇宙历史知识贡献一小部分新内容,”她说。 Bosman 是发表在《皇家天文学会月刊》上的一篇研究文章的主要作者。

建模数据以寻找宇宙黎明的终结

博斯曼团队研究的光谱带来了一些挑战,因为类星体光在到达地球的途中穿过了太空中的各个区域。 这在类星体光谱中留下了一组错综复杂的指纹。 为了 example,中性氢会留下特定的指纹。 同样的光也穿过了连接星系和星系团的所谓“宇宙网”。 它具有电离氢和中性氢。 那也印上了光。

因此,天文学家必须解开所有不同的指纹。 为了做到这一点,他们使用了一个数学模型,该模型再现了在宇宙后期测量到的光的变化,当时星系间气体已经完全电离。 当他们将该模型与他们的观察结果进行比较时,他们发现他们观察到的 121.6 纳米光线偏移了 5.3 倍。 这对应于 11 亿年的宇宙年龄(大爆炸之后)。 这是宇宙历史上的最新时期,中性氢气一定存在于星系际空间中。 之后,来自恒星的紫外线使星系间的氢离子化。 那个时间点标志着宇宙黎明的结束。

下一步

既然设定了新的基准“宇宙黎明的终结”日期,那么下一步是什么? 当然,更多的观察。 团队成员弗雷德里克戴维斯说:“这个新数据集提供了一个重要的基准,宇宙最初十亿年的数值模拟将在未来几年进行测试。” 它们将有助于表征电离源,即第一代恒星。

知道宇宙黎明的结束日期为更多的数值模拟恒星首次照亮宇宙的时期提供了工具。 并且,它应该打开探索整个宇宙黎明的大门。 “我们工作最令人兴奋的未来方向是将其扩展到更早的时间,朝向再电离过程的中点,”莎拉博斯曼说。 “不幸的是,更远的距离意味着那些早期的类星体明显更暗。 因此,扩大 ELT 等下一代望远镜的采集区域将至关重要。”

了解更多信息

宇宙黎明的终结

氢再电离以 z=5.3 结束:XQR-30 样品测量的莱曼-α 光学深度