大爆炸后，光和电塑造了早期宇宙

当第一批恒星和星系形成时，它们不仅照亮了宇宙，这些明亮的结构也从根本上改变了宇宙的化学性质。

当时，如今星系间空间中大部分物质的成分都是氢气，现在这种氢气带上了电。加州大学圣克鲁斯分校计算天体物理研究小组负责人布兰特·罗伯逊说，那个所谓的再电离时代是“宇宙中最后几个重大变化之一”。这是我们所知的宇宙的黎明。

但直到现在，科学家们还无法详细观察再电离时期发生的事情。美国宇航局新近投入使用的詹姆斯·韦伯太空望远镜为我们提供了一双眼睛，让我们能够揭开这个形成时期的面纱。像罗伯逊这样的天体物理学家已经在仔细研究詹姆斯·韦伯望远镜的数据，寻找有关电宇宙黎明的基本问题的答案，以及它能告诉我们什么关于塑造当今宇宙的动态。

大爆炸之后发生了什么？

再电离时代并不是宇宙第一次充满电。大爆炸后不久，宇宙黑暗而炎热；没有恒星、星系和行星。相反，电子和质子自由游荡，因为蒸汽太多，它们无法配对。

但随着宇宙冷却下来，质子开始捕获电子，形成第一批原子，具体来说是氢原子，这一时期被称为“复合”，哥本哈根大学和丹麦技术大学国家空间研究所合作研究机构宇宙黎明中心的博士后研究员安妮·胡特 (Anne Hutter) 解释道。这一过程中和了带电物质。

当时，宇宙中的任何物质都相对均匀地分布，几乎没有结构。但密度有小幅波动，数百万年后，这些变化将早期原子聚集在一起，最终形成恒星。早期恒星的引力吸引更多的气体、粒子和其他成分，使其聚集成更多的恒星，然后形成星系。

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一旦星系开始发光，天体物理学家所称的宇宙黑暗时代就结束了。罗伯逊说，这些恒星体特别明亮：它们比我们的太阳还要大，而且非常炽热，在紫外线光谱中闪耀。

罗伯逊说：“如果能量足够，紫外线实际上可以电离氢。”只需要一个能量特别高的光粒子，即光子，就可以剥离氢原子上的电子，使氢原子带上正电荷。

当星系开始聚集时，它们会首先电离周围的区域，从而在整个宇宙中留下带电氢气泡。随着发光星系团的增长，更多的恒星形成，使它们更加明亮，充满光子。更多的新星系也开始发展。随着它们变得明亮，电离气泡开始重叠。这使得来自一个星系的光子“可以传播更长的距离，因为它在穿过这个网络时不会遇到氢原子，”罗伯逊解释说。

此时，宇宙中其余的星系间介质（即使是远离星系的区域）也会迅速电离。此时再电离时代结束，我们所知的宇宙开始。

“这是宇宙整体属性最后一次发生改变，”罗伯逊说，“这也是星系首次对其所在区域以外的区域产生实际影响。”

詹姆斯韦伯太空望远镜寻找电离线索

随着星系间所有氢都带电，宇宙进入了新的形成阶段。这种电离对星系的形成产生了连锁反应：宇宙黎明后形成的任何恒星云集的结构都可能受到影响。

“如果你电离气体，你也会加热它，”Hutter 解释道。请记住，高温会使物质难以聚结并形成新的恒星和行星——甚至会破坏已经存在的气体。因此，在电离区域形成的小星系可能难以获得足够的气体来形成更多的恒星。“这确实会影响星系形成的恒星数量，”Hutter 说。“这会影响它们的整个历史。”

尽管科学家对再电离过程有了大致的了解，但仍有一些大问题没有解决。例如，虽然他们大致知道再电离时代在大爆炸后约 10 亿年结束，但他们并不确定再电离（以及第一个星系的形成）何时开始。

詹姆斯·韦伯太空望远镜就是为此而生的。这架新型太空望远镜旨在搜寻人类肉眼无法看见的宇宙最古老部分，并收集电离星际介质的星光第一缕光亮的数据。天文学家主要通过天体发出的辐射来探测它们。距离我们较远的天体往往出现在红外线中，因为距离会使它们的波长变长。随着宇宙的膨胀，光可能需要数十亿年才能到达詹姆斯·韦伯太空望远镜的探测器。

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简而言之，这就是科学家们利用詹姆斯·韦伯太空望远镜观察宇宙电离过程中第一批星系的方法。虽然哈勃太空望远镜等较旧的工具可以发现偶尔出现的早期星系，但新的太空观测站可以收集更精细的细节，以便及时定位恒星群。

“现在，我们可以非常精确地计算出宇宙大爆炸后 9 亿年、8 亿年、7 亿年、6 亿年，甚至 3 亿年，周围有多少个星系，”罗伯逊说。利用这些信息，天体物理学家可以计算出每个时期周围有多少个电离光子，以及这些粒子可能如何影响其周围环境。

描绘宇宙黎明的图景不仅是为了了解宇宙的大尺度结构：它还解释了构成我们的元素（如碳和氧）何时在第一颗恒星内部形成。“真正的问题是，”胡特说，“我们从哪里来？”

更正（2022 年 9 月 21 日）：早期宇宙密度的波动持续了数百万年，而不是之前写的数十亿年。这是编辑错误。