早期的宇宙是什么樣子的？天文學家是研究宇宙歷史的，而考古學家是研究人類歷史的，但天文學家比起考古學家有一個巨大的優(yōu)勢，即他們能看到過去。
看到過去？可能嗎？答案是肯定的。原來光速是有限的，這意味著一個天體離我們愈遠，它發(fā)出的光到達我們地球所需的時間就愈長。譬如說，此刻我們看到距地球10億光年外的一顆恒星，那么這束光必定是它在10億年前發(fā)出的，所以我們現(xiàn)在看到的，其實是這顆恒星10億年前的模樣。
這樣，我們利用目前最強大的望遠鏡，已經(jīng)能夠追溯到宇宙大爆炸之后5億年的那一時間。換句話說，在宇宙137億年的“歷史”中，除了最初的5億年還不為人知，其余的歷史我們都已經(jīng)有所了解。至于作為宇宙“嬰兒”期的那5億年里，到底發(fā)生了什么，我們目前只掌握這樣一件事實：在大爆炸之后大約40萬年，遍布宇宙的背景輻射開始形成，這一輻射起初溫度極高，后來隨著宇宙膨脹，才逐漸冷卻，這就是我們現(xiàn)在所說的2.73K微波背景輻射。
至于這一時期其余時間發(fā)生了什么，我們只能做各種猜測。這就好比一個人對5歲之前的記憶，除了記得不到1歲時被火燙了一下，其余一概都記不得了一樣。但現(xiàn)在，得益于新的觀測技術和手段，宇宙歷史中這一缺失的篇章將很快得到填補。
第幾代恒星才開始
形成星系？
關于這一缺失的篇章，其實理論家們早已經(jīng)為我們勾勒出了大致的圖景。線索來自微波背景輻射：大爆炸之后大約40萬年，宇宙溫度降低到可讓質(zhì)子和電子結合形成氫原子，氫原子散射光子，使之均勻地遍布整個宇宙。背景輻射中溫度的微小起伏則說明當時氫原子的分布并非完全均勻，已經(jīng)顯出疏密不均的“團團塊塊”。這些團團塊塊就是形成恒星的種子，隨著時間的推移，它們演化成了恒星。這些恒星，又受到彼此引力的拉拽，在數(shù)億年的時間里形成了星系。
當這一切進行的時候，宇宙的“個性”又發(fā)生了天翻地覆的變化：高能量的輻射摧毀了剛形成不久的氫原子，把電子和質(zhì)子重新“解放”了出來。這就是所謂的宇宙“重電離”時期。這一時期大約結束于大爆炸后7億年。
但這些故事只是在缺乏觀測證據(jù)的條件下所做的大致猜測。我們對于這一時期宇宙演化的許多細節(jié)依然一無所知。
譬如說，首先，組成最早星系的是什么？你或許會想，當然是最早的恒星唄。但這個“當然”很成問題。我們知道，在宇宙歷史上，有過好幾代恒星。最早的恒星“爺爺”們，看起來完全不像后來的子孫，它們成長的環(huán)境很特殊。它們是在單純由氫和氦元素組成的環(huán)境中長大的，因為宇宙大爆炸只大量制造了這兩種元素。而稍重的元素，比如碳、氧、硅等，還有待于這些恒星“爺爺”內(nèi)部發(fā)生核反應才能進一步制造出來。這些稍重的元素跟原有的氫、氦一起，構成了像太陽這樣的第二或第三代恒星的成長環(huán)境。
我們目前知道，第一代恒星個頭都很大，一般達到太陽質(zhì)量的100多倍。因為個頭大，燃燒得快，所以它們的壽命也短，平均只有幾百萬年。但壽命這么短，怎么來得及形成星系呢？要形成一個星系，至少需要上億年時間。難道是第二代恒星才開始形成穩(wěn)定的星系的嗎？
超大質(zhì)量黑洞是
怎么來的？
此外，存在到如今的宇宙“巨獸”也為我們增添了新的謎團。這些巨獸就是超大質(zhì)量黑洞。我們知道，幾乎每一個像銀河系這樣的星系中心，都隱藏著一個超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是數(shù)百萬乃至數(shù)十億倍的太陽質(zhì)量。它們是怎么變成巨無霸的？
一種理論認為，這些黑洞起初質(zhì)量并不大，是恒星坍縮之后形成的，后來不斷“吞吃”周圍的星云和恒星，才變成了現(xiàn)在的這副樣子。然而，一個超大質(zhì)量黑洞要是通過這種方式長成，所需時間甚至超過了整個宇宙的年齡。
另一種理論則干脆假設它們一開始就幾乎這么大，是由宇宙早期大量的氣體云直接坍縮而成的。但氣體云怎么不經(jīng)過恒星階段就直接坍縮成黑洞呢？這在理論上缺乏依據(jù)。
還有，宇宙“重電離時期”電離氫原子的高能輻射來自何處？是來自第一代恒星的紫外線輻射，還是來自超大質(zhì)量黑洞周圍物質(zhì)摩擦發(fā)射出的X射線？這些問題我們都還不清楚。
要回答這些問題，我們可以通過建造更加強大的常規(guī)望遠鏡來尋找答案。但哪怕功能最強大的常規(guī)望遠鏡，在那樣遙遠的距離，也僅能觀測到那些最明亮、最顯眼的天體，而形容詞前加了“最”字，可見它們即便被觀測到，也沒有代表性，我們想知道的是一般的情況。
記錄宇宙早年歷史的
21厘米射電波
有一個好方法可以窺探宇宙早期，即捕捉來自氫原子的射電波（也就是無線電波）。
在宇宙“重電離時期”剛開始，中性氫原子應該是十分豐富的，它們會發(fā)射出微弱的輻射。在每個氫原子里，都有1個電子和1個質(zhì)子，電子和質(zhì)子都有自旋，所以就好比兩個小磁針。根據(jù)量子力學，在外部磁場中（宇宙空間充滿了磁場），它們的自旋只有兩個朝向：順著磁力線和逆著磁力線方向。從一個朝向翻轉到另一個朝向，需要釋放或者吸收能量，這部分能量剛好對應波長為21厘米的光子。波長21厘米的光子正好處于電磁波的無線電波段，所以是一種射電波。
可見，不管是發(fā)射還是吸收21厘米波長的光子，這都是氫原子存在的一個確鑿無疑的信號。在宇宙“重電離時期”，因為有些地方的氫原子被電離了，那里就不會發(fā)出21厘米波長的光子。所以，了解了氫原子的分布，我們就可以了解這一時期宇宙的許多細節(jié)。
正是基于21厘米氫原子射電波的重要性，所以我國在建的這座射電望遠鏡被命名為“21厘米射電陣列”。
但是21厘米僅指發(fā)射時的波長，當它抵達地球時，由于宇宙膨脹，這一波長已經(jīng)被拉長了。拉長的程度取決于那塊包含氫原子的天區(qū)離我們有多遠。一個區(qū)域離我們越遠（因此現(xiàn)在看到的其實是它越早時候的樣子），這一波長抵達我們就會被拉得越長。這樣我們就可以從21厘米氫原子射電波被拉長的程度，得知這片天區(qū)到我們的距離，從而描繪出宇宙早期氫原子在宇宙中的三個維度分布圖，或者說是我們“回溯的歷史時間”。 這樣，我們將通過21厘米氫原子射電波的觀測記錄，了解宇宙早年那段缺失的歲月，澄清這一時期的許多惱人問題。譬如，這張圖將揭示第一代恒星在星系形成的過程中究竟扮演何種角色，以及氫原子重新被電離的輻射究竟來自第一代恒星還是超大質(zhì)量黑洞。如果黑洞是主角，那么還可以揭示它是否一誕生就是“巨人”，倘若不是，那么它朝“巨人”演化的速度有多快，等等。
大型射電陣列的由來
那么，之前為什么天文學家沒有做這一工作呢？這是因為，從宇宙大爆炸后的前10億年發(fā)出的氫原子輻射抵達我們地球，波長已經(jīng)被拉長到2米左右了。波長越長，望遠鏡接收天線的面積就要做得越大。目前世界上最大的單個射電望遠鏡，其接收天線已經(jīng)是一個直徑305米的“大碟子”，可是連這么大的射電望遠鏡也無法探測波長2米的信號。
這就是新一代射電望遠鏡需要采用天線陣列的原因。我們可以建許多單個的射電望遠鏡，把它們都連接到同一臺超級計算機上。這就相當于一個擁有大面積天線的射電望遠鏡。此即所謂的“射電陣列”。
這些射電陣列工作起來也并非那么輕松：首先地球上充滿著各種嘈雜的無線電通訊信號，這些人類的信號需要剔除；其次還要排除地球電離層對射電信號產(chǎn)生的嚴重干擾；另外還必須剔除來自我們銀河系自身的射電信號。
克服這些困難的技術目前基本上已經(jīng)成熟，預計來自宇宙“重電離時期”的首個氫原子信號將在未來5年內(nèi)探測到。至于整幅氫原子分布圖何時能夠完成，這就不好說了。如果我國的“21厘米射電陣列（21-CMA）”還不能完全完成這項任務，那也不要緊，還有一項“千平方米天線陣列（SKA）”計劃，這個射電陣列擬建在南非和澳大利亞西部，但要到2016年才開工。預計在2020年建成，它由100萬個天線組成，收集面積達到1平方千米。
未來，美國宇航局還準備在月球背面建一個射電陣列，那樣就可以避開地球電離層和人類通訊的干擾了。
超級鏈接
偷窺中微子和暗物質(zhì)的真容
在粒子物理學的標準模型里，一種叫做中微子的粒子是沒有質(zhì)量的，但實驗表明，中微子具有質(zhì)量，只是這個質(zhì)量很小而已，其具體數(shù)值至今未定。確定中微子的質(zhì)量對于物理學家的研究非常重要，可惜要在地球上開展實驗并非易事。
于是物理學家想到，可以通過測量中微子對宇宙結構的影響來探知它的質(zhì)量。中微子的引力（雖然單個的中微子質(zhì)量很小，但在整個宇宙中中微子數(shù)量驚人，產(chǎn)生的引力也不可小覷）會使物質(zhì)分布更加均勻。宇宙受中微子影響變得更加均勻的情況，則可以告訴我們自宇宙大爆炸以來中微子飛行得有多遠，有多快，而這一切又跟它的質(zhì)量有關。通過這種辦法，我們雖然不能準確測量中微子的質(zhì)量，但可以給出質(zhì)量的上下限。
物理學家還認為構成了宇宙中物質(zhì)總質(zhì)量的80%以上的東西，是不可見的暗物質(zhì)。但構成暗物質(zhì)的是什么粒子呢？物理學家對此至今還莫衷一是。迄今物理學家提出的大多數(shù)候選暗物質(zhì)粒子都能夠自我湮滅，即兩個完全相同的粒子碰在一起就要湮滅，釋放能量，并把周圍的環(huán)境加熱。那么這一定會在氫原子分布圖上留下印跡，所以描繪出宇宙早期氫原子的分布圖可以幫助我們縮小暗物質(zhì)粒子的尋找范圍，甚至可能揭示它另外的一些性質(zhì)。
