▲最早的恒星艺术画

要有光。

宇宙的第一缕光，第一代恒星出现在什么时候？你我想知道，全世界天文学家也想知道。

最近，天文学家捕获一条重要线索！这个问题可能有了答案。

在最新的《自然》期刊中，美国科学家成功捕捉到了再电离时期的21厘米中性氢原子信号，探测到了宇宙的“第一缕曙光”，证据显示：大爆炸后仅1.8亿年后，宇宙的第一批恒星诞生了！

这意味着天文学对宇宙“黑暗时代”的研究，翻开了一个新的篇章。

而且，他们发现信号中的异常之处，还可能有助于科学家分析暗物质的性质。

现在，尽管还有些关键问题没有答案，但如果说我们对宇宙已经有了相当的了解，也不算夸大其辞。我们知道宇宙源于大爆炸，知道如今宇宙中的物质结成了星系和星系团等结构，甚至也知道最初均匀分布的物质是怎样演化成这样的结构的，还知道在这背后有暗物质和暗能量在发挥作用，遗憾的是，这两者到底是什么仍是未解之谜。

这些成就，在很大程度上得益于天文观测手段的进步。越来越强大的望远镜让天文学家在空间上观察到了更加遥远的天体，在时间上追溯回更深远的过去。

▲宇宙演化的时间线。该研究确认，最早的恒星诞生时间不晚于大爆炸后1.8亿年。

黑暗时期

▲宇宙的“黑暗时期”

按照宇宙大爆炸理论，宇宙诞生后并不是一下子就光照四方的，而是有相当长的一段时间万物被黑暗所笼罩。

宇宙诞生之初，温度还非常非常高，原子核、电子、光子都在四处乱撞，原子核无法抓住电子。大约38万年后，温度终于降低到原子核能够抓住电子形成稳定的原子了，当然几乎只有中性的氢原子和氦原子。而光线也终于可以自由穿行了，这些光子成为了微波背景辐射，也是目前我们能掌握的距离宇宙大爆炸最接近的时标。

不过，在此之后一个时期是巨大的空窗，因为宇宙中没有恒星，也没有星系，没有一丝一缕的可见光，这个时期被称为“黑暗时期”（Dark Age）。这个空白阶段，又是天文学家非常感兴趣，对了解宇宙演化全过程非常关键的阶段。

第一缕光

在随后的5000万年至10亿年里，引力在气体最密集的区域开始发挥作用，把那些气体和尘埃慢慢聚拢，直到压力大到一定程度，点燃氢氦聚变反应，创造出第一批恒星，从此宇宙中才有了真正意义上的光。

恒星发出的辐射中会有强大的紫外线，会让周围气体中由最早的基本粒子结合成的氢原子再度电离，因此这个阶段又被称为“再电离时期”（Reionization Era）。那么第一批恒星到底诞生于何时？长什么样子？它们又是如何演化，如何影响宇宙后来的发展呢？全世界最杰出的天文学家正在为揭晓这些谜团奋斗终生。

神奇的“中性氢原子的21cm谱线”

要想捕捉单个一代恒星的光难度之大可以用“匪夷所思”来形容，好在大自然还是为我们留下了一个——或者说是唯一一个特殊的途径，这就是听上去有些神奇的“中性氢原子的21cm谱线”，宇宙各个时期的状态大都隐藏在这段波长的信号中。

来自美国亚利桑那州立大学、麻省理工学院和科罗拉多大学的研究人员在澳大利亚西部的荒漠里使用了一种特制的天线，经过12年的努力，终于捕捉到宇宙最古老星光的证据。该项目叫做“全天再电离时期信号探测实验”，缩写为EDGES，他们的任务是在波长在3m-6m（频率为100MHz-50MHz）之间的全天微波背景辐射中，查找并发现哪一段能量被氢原子“吃”掉了。结果发现在波长为3.5m-4.3m的位置上出现了一个明显的“山谷”，这一缺口与红移量为15-17之间的21cm辐射吻合，换算成宇宙年龄的话是大爆炸后的2.7亿年至1.8亿年。换句话说，证据显示：大爆炸后仅1.8亿年后，宇宙的第一批恒星诞生了！

“山谷”出现的位置与理论模型符合得不错。但是“山谷”深度却比预期高两个数量级，而“谷底”也显得更为平坦，这反映了原初气体温度与背景辐射温度之间的巨大差异，意味着：要么原初气体可能比预想的更冷，要么背景辐射的温度比预想的更高。研究人员认为恒星类的天体物理现象很难解释这一现象，他们提出只有暗物质与重子的相互作用才能带走更多能量，从而将原初气体即氢原子迅速冷却，因为在宇宙的早期，暗物质可能是唯一比原初气体更冷的东西了。

就像引力波探测可被用于测定哈勃常数一样，中性氢21cm辐射或许也能成为探测暗物质的一种新的方法。这项研究也无疑会引发理论物理学家对模型的更多思考。

编辑制作：顾军

综合自天文茶餐厅 、新浪科技等