我們的宇宙是如何演化成現(xiàn)今的模樣的？有證據(jù)顯示，宇宙中的氫氣曾經(jīng)由普遍不帶電荷的狀態(tài)，變成現(xiàn)在電離的形式，這樣的轉(zhuǎn)變又是如何進(jìn)行的？近日，科學(xué)家觀測(cè)到遠(yuǎn)古的星系，為這些問題提供了更多的提示。

宇宙曾有「黑暗時(shí)代」

根據(jù)現(xiàn)在的科學(xué)理解，我們的宇宙大約在138億年以前從大爆炸中出現(xiàn)。此後經(jīng)過大概30萬年，宇宙中最主要的成分—?dú)錃?，大多變成了不帶電荷的狀態(tài)，而大爆炸時(shí)的光芒亦在此時(shí)向四面八方釋放出來，被現(xiàn)今的我們觀測(cè)到，即所謂的「宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background Radiation）」。宇宙微波背景輻射也是現(xiàn)今我們研究大自然所需的重要訊息之一，能夠幫助我們客觀地認(rèn)識(shí)宇宙剛出現(xiàn)之後的狀況。

說回宇宙的演變，之後又進(jìn)入了「黑暗時(shí)代」，當(dāng)時(shí)氫氣還在受萬有引力而緩慢聚集，最終將形成星星、黑洞等等天體。所以基本來說，宇宙在這個(gè)階段應(yīng)該是一片漆黑的，以致我們對(duì)這個(gè)時(shí)期的宇宙也認(rèn)識(shí)不多。而當(dāng)時(shí)間來到大爆炸後大約300萬年，第一批星星形成，宇宙中才有了第一點(diǎn)星光。

近日科學(xué)家運(yùn)用詹士韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（ James Webb Space Telescope），觀察到大爆炸後大約三百三十萬年時(shí)候的星系，還在這個(gè)星系的光譜中測(cè)量到萊曼α（Lyman-alpha）這種輻射。

從輻射推測(cè)再電離情況

萊曼是氫原子的光譜線（按：元素受熱或電離時(shí)會(huì)發(fā)出特定顏色的光，形成不連續(xù)的亮線），而萊曼α線是這個(gè)系列中的第一條，對(duì)應(yīng)的是電子從第二能級(jí)躍遷到第一能級(jí)時(shí)釋放的光子，它的波長範(fàn)圍為121.6納米（紫外線），地球大氣會(huì)吸收此波段。不帶電荷的氫氣原子在釋放額外能量時(shí)經(jīng)常發(fā)出萊曼α輻射。

不過，要觀測(cè)到萊曼α輻射，也需要一些適合的條件：萊曼α輻射易被不帶電荷的氫原子吸收，因此，我們能夠觀察到這種輻射，代表星系已被一定範(fàn)圍的氫離子包圍。

科學(xué)家們估計(jì)，這個(gè)氫離子範(fàn)圍的半徑可能長達(dá)650光年，才有足夠的空間讓萊曼α輻射擴(kuò)散出去，並隨宇宙的膨脹而增長波長，不會(huì)再被其他氫氣吸收。

與大爆炸後六億到八億年出現(xiàn)的星系相比，這次量度到的星系光譜有較多的萊曼α輻射，更有一連串波長很短的輻射，波長很短的輻射帶有高能量，因此代表了溫度很高的天文物體。

對(duì)此，研究人員有兩個(gè)猜想：第一種猜想是，星系中有一個(gè)超級(jí)黑洞，而物體在掉進(jìn)這個(gè)黑洞的時(shí)候慢慢加熱；另一個(gè)可能，這個(gè)星系有特別多較大的星星（例如質(zhì)量是太陽一百至三百倍、溫度是太陽十五倍的星星）。

然而，這些猜想同時(shí)亦帶出更深一層的問題，比如說黑洞是如何在宇宙的早期形成？而物體又是如何流進(jìn)黑洞的？大量的巨大星星又是如何形成的？這些都是仍需深入研究的課題。

小結(jié)

這次觀察到的星系不多，所以難以估算這類星系在宇宙中的數(shù)量有多少。不過詹士韋伯太空望遠(yuǎn)鏡在近期已有了不少驚人的發(fā)現(xiàn)，驅(qū)使我們?nèi)ジM(jìn)一步研究宇宙早期天體的演化。

●杜子航 教育工作者

早年學(xué)習(xí)理工科目，一直致力推動(dòng)科學(xué)教育與科普工作，近年開始關(guān)注電腦發(fā)展對(duì)社會(huì)的影響。