東西方文化差異懸殊，也不是什么新鮮事兒了。但談到追逐光明上，雙方似乎都很有共同語(yǔ)言。東方《山海經(jīng)·海外北經(jīng)》里有夸父逐日的傳說(shuō)，而西方《圣經(jīng)》中有上帝對(duì)光的呼喚。光是人們體驗(yàn)這個(gè)世界的基礎(chǔ)，眾所周知，地球上的光源主要來(lái)自于太陽(yáng)。那宇宙的光源究竟來(lái)自于哪里？又是什么時(shí)候有了照亮宇宙的第一縷光呢？
你信不信：上帝說(shuō)要有光，宇宙就有了第一縷光？
光的出現(xiàn)一點(diǎn)都不玄學(xué)
區(qū)別于人們對(duì)地球有了光源這件事賦予各種神學(xué)宗教色彩，宇宙出現(xiàn)第一縷光完全是個(gè)物理問(wèn)題。但這和那些讓文科生們感到媽的智障，甚至開(kāi)始懷疑人生的物理難題不同，宇宙光源的出現(xiàn)原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，只需搞懂什么是再電離（Reionization）。
再電離跟大爆炸有密切的關(guān)系
俗話說(shuō)萬(wàn)事開(kāi)頭難，等待宇宙出現(xiàn)第一縷光那更是難上加難！為了搞清楚這第一縷光的來(lái)龍去脈，我們先來(lái)聽(tīng)一個(gè)古老的故事：
按照目前普遍被認(rèn)可的“宇宙大爆炸理論（Big Bang）”來(lái)說(shuō)，宇宙的最初狀態(tài)其實(shí)是一個(gè)個(gè)炙熱而密集的點(diǎn)。是怎樣一個(gè)畫面呢？形象一點(diǎn)，就是閉上雙眼，黑暗中的一場(chǎng)煙火盛會(huì)，這些連綴起來(lái)的煙花差不多就是那時(shí)宇宙的狀態(tài)。聽(tīng)著好像挺浪漫的，但實(shí)際上，那時(shí)的宇宙幾乎是一片漆黑。
宇宙最初的狀態(tài)居然有點(diǎn)好看，怎么回事？
不過(guò)，宇宙就跟熊孩子一樣，都是喜怒無(wú)常的！大約到了138億年前，積蓄很久的力量相互作用終于發(fā)生了大爆炸，一下就把宇宙的溫度刷到了10億攝氏度以上。高溫的環(huán)境中竟意外產(chǎn)生了兩種元素：氫和氦，并最終經(jīng)過(guò)宇宙不可描述的操作下確定了它們各自的比例——?dú)湓卮蟾耪颊w數(shù)目的90%左右（質(zhì)量上占75%）。這時(shí)，氫元素處于電離狀態(tài)，整個(gè)宇宙就像一片火山熔巖般，全部被照亮。
然而光明的日子并未持續(xù)太久，隨著爆炸后溫度逐漸下降，宇宙開(kāi)始冷卻下來(lái)。曾經(jīng)處于電離狀態(tài)的氫元素也受到影響，變成了中性氫元素。這些中性氫元素別的好事不干，就專門吸收宇宙中的紫外光，不再像以前做自由電子時(shí)那樣散射所有光子。就這樣，大爆炸大概30萬(wàn)年后，整個(gè)宇宙又逐漸黑了下去，成了有名的宇宙黑暗時(shí)期（cosmic dark ages）。這一黑，就是好幾億年……
圖解再電離過(guò)程，仿佛一個(gè)顏色漸變圖
誰(shuí)曾想一個(gè)有趣的契機(jī)竟然重新帶來(lái)了光明——恒星開(kāi)始誕生了！雖然那時(shí)宇宙已不再產(chǎn)生電磁輻射，黑暗的氣體團(tuán)卻在暗戳戳地積蓄能量，準(zhǔn)備搞事情。在不斷地引力作用收縮下，氫元素形成了第一代恒星和星系。但和我們現(xiàn)在觀測(cè)到的恒星不同，那時(shí)候的恒星相當(dāng)于幾百個(gè)太陽(yáng)那么大，比后裔要射的10個(gè)太陽(yáng)還要恐怖。這些個(gè)巨大的恒星聚變時(shí)產(chǎn)生了大量的紫外光子和像氣泡一樣的電離泡。隨著電離作用加快，又將整個(gè)宇宙的星際介質(zhì)再次變成電離環(huán)境，宇宙開(kāi)始變得透明，重新被照亮。
宇宙這個(gè)如同聲控?zé)舭?，時(shí)黑時(shí)亮，最后終于穩(wěn)定在亮的過(guò)程，天文學(xué)家一拍桌子就給它定了個(gè)學(xué)術(shù)名——再電離。
啥時(shí)候出現(xiàn)第一縷光，有實(shí)錘嗎？
研究天文的過(guò)程，簡(jiǎn)單點(diǎn)理解，就像做一道論證題。舉個(gè)例子，我們要去假設(shè)、推演宇宙第一縷光如何出現(xiàn)、演化，靠一點(diǎn)想象力和邏輯思維就可以，但讓你給出實(shí)錘卻是比上天還難。隔著幾億年的時(shí)間，怎么去探測(cè)？所以，目前天文學(xué)界對(duì)宇宙的這段演化還所知甚少，《科學(xué)》雜志甚至將此列為了全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題之一。
《科學(xué)》是世界頂級(jí)人類自然科學(xué)研究的雜志之一
現(xiàn)在的情況是：天文學(xué)家即使知道再電離現(xiàn)象發(fā)生于宇宙大爆炸后大約3億年至10億年間，宇宙第一代星系的確在其中起到了顯著作用，也無(wú)法確定再電離的細(xì)致過(guò)程以及第一代星系到底在啥時(shí)候形成的……
不過(guò)，不要小看了人類的智慧。他山之石，可以攻玉，天文學(xué)家也懂得這個(gè)道理，他們找到了幾種能計(jì)算再電離時(shí)代時(shí)間的工具：（ps:聽(tīng)不懂也別怪我）
1.類星體光譜（Quasar spectrum）
再電離時(shí)代離我們?nèi)绱诉b遠(yuǎn)，想要觀測(cè)不借助其他星體怎么行？類星體就是絕佳首選。類星體是啥玩意兒？它是宇宙中最明亮的天體種類之一，能釋放出極大的能量，即使相隔很遠(yuǎn)都能看到，有些類星體就能探測(cè)到再電離的早期。
類星體釋放出巨大的能量
更棒的是，類星體正好有相對(duì)較一致的光譜特質(zhì)，根本無(wú)需考慮它在天空中的位置和與地球的距離。不僅如此，類星體附近的天體光譜的吸收線非常銳利，即使光子的能量只造成了一個(gè)原子的轉(zhuǎn)換，也可以導(dǎo)致相應(yīng)的變化，天文學(xué)家很容易觀測(cè)到。
由于類星體和用來(lái)觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡之間有很大的距離，宇宙膨脹就會(huì)導(dǎo)致接收到的光有明顯的紅化，這意味著星體發(fā)出的光在旅途中發(fā)生紅移并且通過(guò)了星系際介質(zhì)(IGM)。因?yàn)樘祗w的紅移對(duì)應(yīng)著我們看見(jiàn)的光線輻射出來(lái)的時(shí)間，天文學(xué)家由此推測(cè)，或許憑借它就能確立再電離時(shí)期結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)了。
2.宇宙微波背景輻射（Cosmic microwave background radiation）
除了借助類星體，宇宙微波背景輻射也可以大致推斷出再電離時(shí)代的時(shí)間。宇宙微波背景輻射（簡(jiǎn)稱CMB）聽(tīng)起來(lái)如此讓人摳腦殼，其實(shí)簡(jiǎn)單理解就是，來(lái)自宇宙年齡38萬(wàn)年處的光子。
這個(gè)看起來(lái)像鵝卵石的東西就是宇宙微波背景輻射
這些光子在傳播過(guò)程中遇到自由電子就會(huì)發(fā)生湯姆森散射(Thomson scatter)。但是隨著宇宙膨脹，自由電子的密度下降，湯姆森散射的頻率就會(huì)隨之降低。而再電離時(shí)代和之后的一段時(shí)間內(nèi)，自由電子的密度還在某種臨界之上，那個(gè)時(shí)候的湯姆森散射就帶來(lái)了CMB上的可觀測(cè)效應(yīng)。
學(xué)霸才能看懂系列：光學(xué)深度與紅移關(guān)系圖
經(jīng)過(guò)一些數(shù)學(xué)處理會(huì)發(fā)現(xiàn)，星際介質(zhì)的消光作用對(duì)CMB的影響——把小尺度的各向異性變小，大尺度的各向異性變大。通過(guò)對(duì)CMB的觀測(cè)可以得知光學(xué)深度τ（τ越大，消光就越強(qiáng)），進(jìn)而推知電子的密度，就能得知當(dāng)時(shí)的宇宙年齡。
3. 21cm氫線（21-centimetre hydrogen line）
雖然前兩種方法也能推測(cè)出再電離時(shí)代的大致時(shí)間，它們卻無(wú)法解釋不同紅移處電離度大小的能量來(lái)源和產(chǎn)生的效應(yīng)。氫的21cm線就成了研究這一時(shí)期的重要工具。
但它的產(chǎn)生可比薛寶釵吃的冷香丸難多了！氫線從原理上講，是中性氫的電子在自旋與核平行和反平行之間轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的。然而，這種轉(zhuǎn)換不僅很難發(fā)生，還依賴高溫。首先得宇宙黑暗時(shí)代形成的lyα光子被中性氫吸收，然后中性氫又能重新釋放lyα光子。中性氫的lyα輻射和自旋轉(zhuǎn)換耦合(Wouthuysen-Field耦合)，才能最終產(chǎn)生了21cm氫線。
21cm氫線就很神奇了，通過(guò)它能獲取到再電離的詳細(xì)信息，比如它的發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和不均勻性，就能進(jìn)一步研究再電離時(shí)代在內(nèi)的宇宙早期結(jié)構(gòu)。但令人遺憾的是，目前這項(xiàng)研究才剛剛起步。
關(guān)于再電離，他有新發(fā)現(xiàn)
大部分人都在關(guān)注2018年諾爾貝獎(jiǎng)花落誰(shuí)家時(shí)，今年5月份，中國(guó)香港的邵逸夫基金會(huì)將有東方諾貝爾獎(jiǎng)之稱的“邵逸夫天文學(xué)獎(jiǎng)”授予了尚-盧·普吉(Jean-Loup Puget)。雖然名字聽(tīng)起來(lái)讓人一臉懵逼，但他卻是再電離界實(shí)打?qū)嵉囊黄ズ隈R。
獲得2018邵逸夫天文學(xué)獎(jiǎng)的尚-盧·普吉
普吉和他的國(guó)際團(tuán)隊(duì)在2009年-2013年期間，一直致力于用高頻儀器的新型低溫感應(yīng)器，測(cè)量由宇宙微波背景和銀河系的塵埃及氣體引起的前景輻射。
這個(gè)新型儀器到底有牛？觀測(cè)范圍可以達(dá)到350微米到3毫米；在研究宇宙微波背景時(shí)，其角分辨率比任何利用其他方法取得的全天宇宙微波背景分布圖高3倍；前景灰塵輻射的敏感度也是獨(dú)一無(wú)二的！利用它觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)能極其精確地測(cè)量出宇宙學(xué)參數(shù)，這是以往觀測(cè)時(shí)根本達(dá)不到的高度。
而他近年的研究數(shù)據(jù)更是推翻了人們以往對(duì)再電離時(shí)代的認(rèn)識(shí)——再電離時(shí)代的開(kāi)始時(shí)間比以前假設(shè)的更遲，在宇宙膨脹的最近十倍以內(nèi)！這個(gè)結(jié)果補(bǔ)充了遠(yuǎn)紅外線背景對(duì)總能量釋放的測(cè)量，令人們對(duì)宇宙恒星形成的歷史得到一個(gè)更趨完整的構(gòu)圖。
普朗克和愛(ài)因斯坦并稱為二十世紀(jì)最重要的兩大物理學(xué)家
不僅如此，他還探測(cè)了過(guò)去形成恒星的過(guò)程中，星系所放出的宇宙遠(yuǎn)紅外背景，并提出星際物質(zhì)含有芳香族碳?xì)浞肿印Ｍㄟ^(guò)普朗克太空計(jì)劃，他成功處理了星際物質(zhì)前景的影響，顯著地提升了人類對(duì)整個(gè)宇宙學(xué)的認(rèn)識(shí)。
其實(shí)，火遍網(wǎng)絡(luò)的人生三問(wèn)：我是誰(shuí)？我從哪里來(lái)？我要到哪里去？這些問(wèn)題都能從天文學(xué)中找到答案。因?yàn)橐芯咳藗儚哪睦飦?lái)，那就得先知道星體是如何形成、又是如何出現(xiàn)適合人類出生的環(huán)境……從宇宙大爆炸到第一代恒星的誕生，都是和生命有著密切聯(lián)系的事，看似枯燥，實(shí)則有趣，這大概也是現(xiàn)在越來(lái)越多的人都癡迷于天文學(xué)的原因了吧。
Ps：小編和大家一起學(xué)習(xí)“再電離時(shí)代”，有什么錯(cuò)誤請(qǐng)指出哦~
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