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东西方文化差异悬殊，也不是什么新鲜事儿了。但谈到追逐光明上，双方似乎都很有共同语言。东方《山海经·海外北经》里有夸父逐日的传说，而西方《圣经》中有上帝对光的呼唤。光是人们体验这个世界的基础，众所周知，地球上的光源主要来自于太阳。那宇宙的光源究竟来自于哪里？又是什么时候有了照亮宇宙的第一缕光呢？ 你信不信：上帝说要有光，宇宙就有了第一缕光？ 光的出现一点都不玄学 区别于人们对地球有了光源这件事赋予各种神学宗教色彩，宇宙出现第一缕光完全是个物理问题。但这和那些让文科生们感到妈的智障，甚至开始怀疑人生的物理难题不同，宇宙光源的出现原理其实很简单，只需搞懂什么是再电离（Reionization）。 再电离跟大爆炸有密切的关系 俗话说万事开头难，等待宇宙出现第一缕光那更是难上加难！为了搞清楚这第一缕光的来龙去脉，我们先来听一个古老的故事： 按照目前普遍被认可的“宇宙大爆炸理论（Big Bang）”来说，宇宙的最初状态其实是一个个炙热而密集的点。是怎样一个画面呢？形象一点，就是闭上双眼，黑暗中的一场烟火盛会，这些连缀起来的烟花差不多就是那时宇宙的状态。听着好像挺浪漫的，但实际上，那时的宇宙几乎是一片漆黑。 宇宙最初的状态居然有点好看，怎么回事？ 不过，宇宙就跟熊孩子一样，都是喜怒无常的！大约到了138亿年前，积蓄很久的力量相互作用终于发生了大爆炸，一下就把宇宙的温度刷到了10亿摄氏度以上。高温的环境中竟意外产生了两种元素：氢和氦，并最终经过宇宙不可描述的操作下确定了它们各自的比例——氢元素大概占整体数目的90%左右（质量上占75%）。这时，氢元素处于电离状态，整个宇宙就像一片火山熔岩般，全部被照亮。 然而光明的日子并未持续太久，随着爆炸后温度逐渐下降，宇宙开始冷却下来。曾经处于电离状态的氢元素也受到影响，变成了中性氢元素。这些中性氢元素别的好事不干，就专门吸收宇宙中的紫外光，不再像以前做自由电子时那样散射所有光子。就这样，大爆炸大概30万年后，整个宇宙又逐渐黑了下去，成了有名的宇宙黑暗时期（cosmic dark ages）。这一黑，就是好几亿年…… 图解再电离过程，仿佛一个颜色渐变图 谁曾想一个有趣的契机竟然重新带来了光明——恒星开始诞生了！虽然那时宇宙已不再产生电磁辐射，黑暗的气体团却在暗戳戳地积蓄能量，准备搞事情。在不断地引力作用收缩下，氢元素形成了第一代恒星和星系。但和我们现在观测到的恒星不同，那时候的恒星相当于几百个太阳那么大，比后裔要射的10个太阳还要恐怖。这些个巨大的恒星聚变时产生了大量的紫外光子和像气泡一样的电离泡。随着电离作用加快，又将整个宇宙的星际介质再次变成电离环境，宇宙开始变得透明，重新被照亮。 宇宙这个如同声控灯般，时黑时亮，最后终于稳定在亮的过程，天文学家一拍桌子就给它定了个学术名——再电离。 啥时候出现第一缕光，有实锤吗？ 研究天文的过程，简单点理解，就像做一道论证题。举个例子，我们要去假设、推演宇宙第一缕光如何出现、演化，靠一点想象力和逻辑思维就可以，但让你给出实锤却是比上天还难。隔着几亿年的时间，怎么去探测？所以，目前天文学界对宇宙的这段演化还所知甚少，《科学》杂志甚至将此列为了全世界最前沿的125个科学问题之一。 《科学》是世界顶级人类自然科学研究的杂志之一 现在的情况是：天文学家即使知道再电离现象发生于宇宙大爆炸后大约3亿年至10亿年间，宇宙第一代星系的确在其中起到了显著作用，也无法确定再电离的细致过程以及第一代星系到底在啥时候形成的…… 不过，不要小看了人类的智慧。他山之石，可以攻玉，天文学家也懂得这个道理，他们找到了几种能计算再电离时代时间的工具：（ps:听不懂也别怪我） 1.类星体光谱（Quasar spectrum） 再电离时代离我们如此遥远，想要观测不借助其他星体怎么行？类星体就是绝佳首选。类星体是啥玩意儿？它是宇宙中最明亮的天体种类之一，能释放出极大的能量，即使相隔很远都能看到，有些类星体就能探测到再电离的早期。 类星体释放出巨大的能量 更棒的是，类星体正好有相对较一致的光谱特质，根本无需考虑它在天空中的位置和与地球的距离。不仅如此，类星体附近的天体光谱的吸收线非常锐利，即使光子的能量只造成了一个原子的转换，也可以导致相应的变化，天文学家很容易观测到。 由于类星体和用来观测的望远镜之间有很大的距离，宇宙膨胀就会导致接收到的光有明显的红化，这意味着星体发出的光在旅途中发生红移并且通过了星系际介质(IGM)。因为天体的红移对应着我们看见的光线辐射出来的时间，天文学家由此推测，或许凭借它就能确立再电离时期结束的时间点了。 2.宇宙微波背景辐射（Cosmic microwave background radiation） 除了借助类星体，宇宙微波背景辐射也可以大致推断出再电离时代的时间。宇宙微波背景辐射（简称CMB）听起来如此让人抠脑壳，其实简单理解就是，来自宇宙年龄38万年处的光子。 这个看起来像鹅卵石的东西就是宇宙微波背景辐射 这些光子在传播过程中遇到自由电子就会发生汤姆森散射(Thomson scatter)。但是随着宇宙膨胀，自由电子的密度下降，汤姆森散射的频率就会随之降低。而再电离时代和之后的一段时间内，自由电子的密度还在某种临界之上，那个时候的汤姆森散射就带来了CMB上的可观测效应。 学霸才能看懂系列：光学深度与红移关系图 经过一些数学处理会发现，星际介质的消光作用对CMB的影响——把小尺度的各向异性变小，大尺度的各向异性变大。通过对CMB的观测可以得知光学深度τ（τ越大，消光就越强），进而推知电子的密度，就能得知当时的宇宙年龄。 3. 21cm氢线（21-centimetre hydrogen line） 虽然前两种方法也能推测出再电离时代的大致时间，它们却无法解释不同红移处电离度大小的能量来源和产生的效应。氢的21cm线就成了研究这一时期的重要工具。 但它的产生可比薛宝钗吃的冷香丸难多了！氢线从原理上讲，是中性氢的电子在自旋与核平行和反平行之间转换时产生的。然而，这种转换不仅很难发生，还依赖高温。首先得宇宙黑暗时代形成的lyα光子被中性氢吸收，然后中性氢又能重新释放lyα光子。中性氢的lyα辐射和自旋转换耦合(Wouthuysen-Field耦合)，才能最终产生了21cm氢线。 21cm氢线就很神奇了，通过它能获取到再电离的详细信息，比如它的发生时间、持续时间和不均匀性，就能进一步研究再电离时代在内的宇宙早期结构。但令人遗憾的是，目前这项研究才刚刚起步。 关于再电离，他有新发现 大部分人都在关注2018年诺尔贝奖花落谁家时，今年5月份，中国香港的邵逸夫基金会将有东方诺贝尔奖之称的“邵逸夫天文学奖”授予了尚-卢·普吉(Jean-Loup Puget)。虽然名字听起来让人一脸懵逼，但他却是再电离界实打实的一匹黑马。 获得2018邵逸夫天文学奖的尚-卢·普吉 普吉和他的国际团队在2009年-2013年期间，一直致力于用高频仪器的新型低温感应器，测量由宇宙微波背景和银河系的尘埃及气体引起的前景辐射。 这个新型仪器到底有牛？观测范围可以达到350微米到3毫米；在研究宇宙微波背景时，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图高3倍；前景灰尘辐射的敏感度也是独一无二的！利用它观测得到的数据能极其精确地测量出宇宙学参数，这是以往观测时根本达不到的高度。 而他近年的研究数据更是推翻了人们以往对再电离时代的认识——再电离时代的开始时间比以前假设的更迟，在宇宙膨胀的最近十倍以内！这个结果补充了远红外线背景对总能量释放的测量，令人们对宇宙恒星形成的历史得到一个更趋完整的构图。 普朗克和爱因斯坦并称为二十世纪最重要的两大物理学家 不仅如此，他还探测了过去形成恒星的过程中，星系所放出的宇宙远红外背景，并提出星际物质含有芳香族碳氢分子。通过普朗克太空计划，他成功处理了星际物质前景的影响，显著地提升了人类对整个宇宙学的认识。 其实，火遍网络的人生三问：我是谁？我从哪里来？我要到哪里去？这些问题都能从天文学中找到答案。因为要研究人们从哪里来，那就得先知道星体是如何形成、又是如何出现适合人类出生的环境……从宇宙大爆炸到第一代恒星的诞生，都是和生命有着密切联系的事，看似枯燥，实则有趣，这大概也是现在越来越多的人都痴迷于天文学的原因了吧。 Ps：小编和大家一起学习“再电离时代”，有什么错误请指出哦~ |
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