黑暗时代的微光

苗千

如果说想要理解宇宙，人类必须懂得如何阅读星光，星光就是宇宙的语言，那么这也并非是宇宙与生俱来的表达方式。在诞生初期，乃至在随后发生剧烈转变的时期，宇宙中都还尚且没有光。即便是恒星诞生，宇宙开始被逐渐点亮时，光在宇宙间的穿梭也不像现在这样自由无阻，整个宇宙仍处于一片迷雾之中。第一盏星光究竟在何时点亮？宇宙究竟是在什么时候成为如今人们所熟悉的形态？这个问题并不简单，因为这涉及了宇宙发展过程中一个极其特殊的时期：宇宙黑暗时代（Cosmis Dark Ages）。

天文学家最重要的工作就是研究宇宙经由大爆炸诞生，随后经过各个阶段的发展和转变，最终达到当前状态的整个历史过程。对于天文学家们来说，在很多情况下他们甚至不需要猜测，而只需要通过太空望远镜回望宇宙的过去。因为宇宙在大尺度下各个部分的性质基本相同，因此人类观测到了宇宙遥远区域的过去，可能也正是我们自己的过去。尽管如此，在宇宙学研究中也仍有很多重要细节难以研究清楚，因为宇宙并非从一开始就如此清澈。

根据目前宇宙学的模型来看，宇宙诞生于距今大约138亿年前。在诞生之初，整个宇宙如同一锅沸腾的热汤，物质在极高的温度下以等离子体的形式存在。在它诞生后的第10-43秒，时间与空间相分离，宇宙的生命正式开始，在第10-33秒，整个宇宙发生了暴涨，从微观状态被瞬间拉伸至宏观状态（关于宇宙暴涨理论，虽然其符合目前人类宇宙学的研究模型，但人类尚未发现暴涨曾经发生过的任何观测证据），在第10-4秒， 质子形成，在7万年后，物质在宇宙中获得主宰地位，直至40万年之后，宇宙中的温度开始逐渐冷却，当温度降低到3000开尔文时，质子与电子相结合形成了中性的氢原子，此前一直与物质发生剧烈相互作用的光子获得自由，成为宇宙微波背景辐射。

而在宇宙微波背景辐射形成，直至众多星系形成之间，目前在人类宇宙学研究中存在着一个巨大的缺口，这就是宇宙的黑暗时期。在这段时间里，宇宙尚未被恒星所点亮，在想象中似乎会显得有些乏味，它却是宇宙发展的重要阶段之一。正如哈佛大学的宇宙学教授阿维·勒步（Avi Loeb）形容，此时的宇宙如同一个儿童。儿童既不是一个放大版的婴儿，也不是一个缩小版的成年人，他有着各种各样的发展可能。在宇宙的黑暗时期，宇宙中原本的粒子汤转变为众多天体，而在引力的作用下，各种物质开始相互聚集，酝酿着更大的变化发生，宇宙发展进入到了一个关键阶段。

天文学家们无法通过太空望远镜轻易地回望到宇宙的黑暗时代。在这段没有光亮的时代，隐藏着当今宇宙学研究的两个重要问题：是什么样的过程，让当时尚且年轻的宇宙，就产生出巨大的黑洞？又是什么驱散了曾经弥漫于整个宇宙中的离子雾？这两个问题可能彼此相互关联。想要得到答案，就需要进行更加细致的宇宙观测和研究。

在2017年12月6日，《自然》（Nature）杂志刊登了在卡内基科学研究院天文台（Carnegie Observatories）工作的天文学家爱德华多·巴纳多斯（Eduardo Banados）与合作者们共同发表的论文《在一个显著电中性的宇宙中拥有8亿个太阳质量的红移7.5的黑洞》（An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5），这个题目对于普通人来说或许显得拗口，对于天文学家们来说，却是一个不小的震动，因为它创造了一个人类宇宙学观测的新纪录。这个新发现的黑洞成为人类发现的（在时间和空间上）距今最远的超巨型黑洞。在宇宙大爆炸发生了仅仅6.9亿年之后，就出现了这样一个具有8亿个太阳质量的黑洞——当时宇宙的年龄大约相当于其现在年龄的5%，这刷新了超巨型黑洞产生的时间纪录，这也是一个处于宇宙黑暗时代的超巨型黑洞。

人们发现，在大多数的星系中心都存在有一个超巨型黑洞，这些黑洞的质量在数百万乃至数十亿个太阳质量之间。这些坐落在星系中心的黑洞，当其利用自身的引力作用，撕碎接近它的恒星时，会发出无比强烈的光芒，一时间它的亮度甚至可以超过整个星系。天文学家们认为，这正是宇宙中最亮的天体，类星体（quasar）形成的原因——也就是说，类星体相当于超巨型黑洞的吸积盘。正因为如此，当天文学家发现一个类星体，也就相当于发现了一个与之相伴的超巨型黑洞的存在。尽管超巨型黑洞并不算少见，但关于这种黑洞形成和发展的过程却至今都是一个谜。

如果把黑洞看作是一种缓慢生长的植物，那么质量巨大的恒星就可以看作是黑洞的种子，当这些拥有至少几倍太阳质量的恒星烧光燃料，发生引力塌缩，就会形成有几个太阳质量的小型黑洞，随后这些黑洞再通过吸收附近的物质而逐渐成长。例如处于银河系中心的超巨型黑洞Sagittarius A*，它具有大约450万个太阳质量，属于小型超巨型黑洞。天文學家估计，它可能就是由一个质量大约为100个太阳质量的黑洞开始缓慢成长，逐渐成为银河系的中心。而另一些质量动辄为数亿个太阳质量的超巨型黑洞，它们的成长过程至今仍然让天文学家们感到迷惑——尤其是如果这些超巨型黑洞不是存在于宇宙诞生后的100多亿年之后，而是存在于宇宙诞生仅仅几亿年之后，就会令天文学家们感到加倍的迷惑——在宇宙早期究竟什么样的环境下，才会诞生出如此巨大的黑洞？

为了寻找形成于宇宙早期的类星体和黑洞，巴纳多斯与合作者们首先通过天文望远镜记录的旧数据筛选出类星体的候选者——这个工作并不轻松而且容易犯错，很多在银河系内的褐矮星看上去与遥远的类星体非常相似，随后他们利用智利拉斯坎帕纳斯天文台（Las Campanas Observatory）的望远镜、位于亚利桑那州的大双筒望远镜（Large Binocular Telescope）和夏威夷的北双子望远镜（Gemini North telescope）分别进行观察和确认，最终确认发现了一个遥远的类星体，这个发现自然让整个研究团队激动万分。endprint

这个最新被发现的被命名为“ULAS J1342+0928”的类星体距离地球131亿光年——这是一个超级明亮，被具有极高能量和旋转气体和灰尘所围绕的一个来自宇宙诞生早期的神秘天体，它也打破了此前宇宙学观测的纪录——此前人类探测到的距离地球最遥远的类星体名为“ULAS J1120+0641”，距离地球130.4光年。要知道，整个宇宙的年龄也只有138亿年左右。这个最新发现的超巨型黑洞，在宇宙诞生后6.9亿年的时间里就聚集了相当于8亿个太阳的质量，它是如何在短时间内攫取了如此之多的物质？目前天文学家们对于它的形成和发展过程一无所知。正因为如此，天文学家们才希望能够发现更多类似的超巨型黑洞进行对比研究。但是这种在宇宙早期形成的超巨型黑洞显然数量不会太多，天文学家们搜索了十分之一的可见宇宙才发现了这样一个。巴纳多斯相信，在地球上总共大约可以观测到20～100个类似的超巨型黑洞。

天文学家们也在利用現有的样本进行比较。目前人类已发现的两个最为久远的超巨型黑洞，年龄相差了6000万年。虽然这个数字相比宇宙目前的年龄来说显得微不足道，但是在这两个黑洞诞生的年代，这个时间的差距相当于当时宇宙年龄的十分之一，这已经足以让天文学家们在对两者的比较中发现线索，其中或许蕴藏着在宇宙黑暗时代，超巨型黑洞如何形成的奥秘。

黑洞在几亿年的时间里获得数亿个太阳的质量，之所以成为一个宇宙学研究的难题，是因为这完全违背了现代宇宙学对于黑洞成长方式的认知，也就意味着黑洞还有其他形成和成长的方式——天文学家需要完全不同的解释。早期超巨型黑洞的形成可能需要依赖一些特殊的条件，例如多个黑洞合并成为一个超巨型黑洞，但发生这种情况需要在当时有高密度聚集的暗物质。在2017年3月13日，英国杜伦大学的科学家约翰·里根（John Regan）与合作者们在《自然·天文学》杂志上发表论文，报告他们通过电脑模拟发现，在早期的宇宙环境中，可能形成一种直接塌缩黑洞（direct-collapse black holes）。

在这种形成模式中，黑洞并不需要从死亡的恒星中产生，也不需要漫长的成长时间。电脑模拟显示，在早期的宇宙环境中，星系内部的气体可能处于一种炽热的状态，并且无法冷却。另外大量的气体又被聚集在星系内的暗物质所挤压。在这种极其特殊的条件下，星系内的物质可能会不经过任何中间状态，直接发生塌缩成为超巨型黑洞。这种形成模式是由得克萨斯大学的天文学家沃尔克·布罗姆（Volker Bromm）与哈佛大学的阿维·勒步在2003年首先提出来的，而到了2016年，天文学家们发现，在一个名为“CR7”的年轻星系中，可能就藏有一个直接坍塌黑洞。

刚刚被发现的这个来自宇宙幼年时期的超巨型黑洞，还有可能为另一个天文学难题提供线索。在宇宙中诞生后5亿年到10亿年间的黑暗时代，从充斥着暗物质与氢原子，到黑洞形成，恒星形成，逐渐形成星系，氢原子又被重新电离，成为带电的离子弥漫于宇宙空间，这个过程到底具体如何？一个清晰的宇宙如何从混沌状态中逐渐呈现出来？宇宙中的质子和电子在温度下降的情况下结合为氢原子，而随后又被电离的时代，被称为“再电离时代”（the epoch of reionization）。正是这样的过程，随着各个星系的逐渐形成与合并，让整个宇宙空间逐渐明朗清晰起来，而且大量质子和电子也一直以离子的形式存在于宇宙空间之中直到现在。

此前，天文学家们大多认为正是在宇宙黑暗时代开始形成的恒星所发射出的紫外线大量电离了氢原子。要使一个氢原子的电子离开质子，需要13.6电子伏的能量。通过计算，在宇宙中的氢原子只需要有百万分之一的数量参与形成恒星，发生了核聚变反应，那么这些恒星通过核反应所释放出的能量就足以电离宇宙中剩下的全部氢原子。另一方面，也有研究显示，黑洞才是再电离过程发生的主要原因。探明这个过程的具体原因和发生时间，有助于天文学家们理清宇宙发展的过程，而最好的办法就是找到再电离时代的类星体和黑洞。

让天文学家们高兴的是，最新发现的存在于宇宙诞生之后6.9亿年的类星体“ULAS J1342+0928”可能正处于宇宙的再电离时代。根据探测，在这个类星体周围的大部分氢气都还处于电中性状态，尚未被电离。因此，研究这个类星体的行为与其在再电离时代的角色，对于理解宇宙的演化过程极为重要。

实际上，人类认识到宇宙是一个有开端，很可能也存在着一个结局的具有动态过程的整体，才只有不到100年的时间。在这短短的一段时间里，人类利用广义相对论所提供的数学手段和对宇宙全新的理解方式，通过各种各样的宇宙学观测手段进行研究，对宇宙的诞生和发展的认识越来越清晰，这堪称人类文明最伟大的进步之一。另一方面，时至今日，人类可能也无法通过想象来理解整个宇宙的浩瀚和历史，因为这远超人类的生活经验。相对于宇宙来说，人类连沧海一粟都算不上。这样的对比，随着人类对宇宙的认识越来越清晰，随着每一个宇宙学研究的突破，都必将对人类文明产生深远的影响。

对于宇宙本质的追问，从神话时代幻想出各种造物主，到科学家们仰望星空归纳天体运行的规律，直至追寻宇宙的开端，探索宇宙中尚且没有光亮的黑暗时代，人类探索宇宙的时代才刚刚开始。预计于2019年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope），寄托了天文学家们太多的希望，人们认为它有可能发现宇宙诞生几亿年后所形成的最早的星系，这必将再次改变人类对于宇宙的认知。

（本文写作参考了《Quantamagazine》《Nature》和《Scientific American》等杂志的报道）endprint