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Mar. 19 2018

發現宇宙第一代恆星?真相大揭密!

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  • 發現宇宙第一代恆星?真相大揭密!

天文學家的最新研究發現,在宇宙生成的大霹靂後僅1.8億年,就有第一代恆星形成。

這張藝術家想像圖描繪出宇宙最早恆星的可能樣貌。
ILLUSTRATION BY N.R.FULLER, NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

夜空中的點點繁星,似乎自亙古以來,就伴隨人類度過漫漫長夜,但其實在宇宙剛誕生時,這些閃爍的恆星還沒出現。現在,科學家回望時空深處的研究結果顯示,最早的一批恆星誕生於大霹靂(Big Bang)形成宇宙後約1.8億年。

在過去幾十年來,科學家一直在追求(或者該說是競爭)的研究課題,就是偵測第一代恆星的蹤跡。這項觀測是EDGES計畫的貢獻,當第一代恆星發出的光與充滿原始宇宙空間的氫氣產生交互作用時,會產生不同的無線電波訊號。

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影片觀賞:宇宙起源101

如果這些訊號真的站得住腳,那麼這次的偵測同時也開啟了新的宇宙探索課題,更帶來許多有待我們克服的難題。

「在這之前,宇宙曙光(cosmic dawn)時期對我們來說一直是個未知的領域,」南非夸祖魯-納塔爾大學(University of KwaZulu-Natal)的物理學家(Cynthia Chiang)如此表示,「能夠以新的方式看到宇宙歷史的這個階段,實在太令人興奮了,EDGES望遠鏡的觀測讓我們首度有機會深入了解第一批恆星的性質。」

宇宙曙光

宇宙在誕生後不久,就陷入了黑暗之中。當高溫氣體在暗物質(dark matter)團塊周圍聚集,收縮變得更為緊密,直至足以點燃新生恆星核心的核融合反應,第一代恆星就此誕生。

當這些早期恆星開始往周圍宇宙放出紫外線,光子與原始宇宙中的氫氣混合,使得這些氫氣能夠吸收背景輻射並變得半透明。此時,這些氫原子會產生特定頻率的無線電波,穿越宇宙時空,讓今日的天文學家得以利用無線電波望遠鏡,觀測到來自遙遠過去的訊息。

現代的恆星也會向周圍發出光線,因此也有相同的現象。但源自第一代恆星影響所產生的無線電波,在宇宙中旅行了很長一段時間,所以這些無線電波的波長被拉得更長了,或者學術一點的說法──產生了紅移(redshift)。這也就是為何天文學家可以利用位在澳洲西部的小天線,確認這些訊號是來自第一代恆星的蹤跡。

最新的宇宙時間軸顯示,在大霹靂後約1.8億年,就有第一代恆星誕生。
ILLUSTRATION BY N.R.FULLER, NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

「在2015年啟動儀器後的幾個星期內,就首度出現了訊號的跡象,」這篇研究論文的共同作者──亞利桑那州立大學(Arizona State University)的賈德.鮑曼(Judd Bowman)表示,「剛開始我們以為是這個儀器有問題,因為訊號比我們預期的還要更大。」

鮑曼和他的團隊成員在過去兩年之間,一直致力於排除任何可能的錯誤,會導致儀器產生類似宇宙黑暗時代結束時的訊號。

「我們做了好幾十項測試,才越來越有把握這些訊號確實來外太空,」他說,「但還是得要有另一個團隊,使用不同的儀器來確認這項觀測,這是非常重要的。」

隸屬於另一個科學團隊成員的江昕,也在尋找相同的訊號。她同意這項說法:「他們的建議相當正確,下一步就是要用其他實驗來確認測量的結果。」

「這種測量方式對系統誤差極度敏感,因此非常困難,EDGES團隊為了研究微弱的儀器效應,所耗費的心力令人印象深刻。」

從光明到黑暗

如果這些訊號是真的,那麼對研究早期宇宙狀態的科學家來說,這項研究帶來了新的挑戰。首先是這些第一代恆星出現的時間,雖然與某些理論的預測相符,卻又與另一些理論不太一致。

「從很多方面來說,這個結果都很怪,」加州大學洛杉磯分校(UCLA)的史蒂芬.富拉內托(Steven Furlanetto)如此表示,他致力於研究星系如何形成並產生恆星,他說,「這可能顯示有非常奇特的物理現象發生,對很多人來說,這都是件非常令人興奮的大事情。」比如說,這項觀測結果可能告訴我們,會有不同於以往認識的星系。

富拉內托和他的同事在之前的研究中,實際觀測最早的已知星系,然後利用電腦模擬早期宇宙的情形,尋找第一代恆星訊號可能出現的時間點。宇宙的第一代星系應該規模很小,而且很脆弱,製造恆星的效率也不是那麼好,所以富拉內托認為,第一代恆星的訊號應該會在大霹靂後約3.25億年才達到最高峰。

但如果在大霹靂後1.8億年,第一代恆星就已經發出了足夠的光線,揭露自身行蹤,那麼早期的星系勢必與我們的認知有所不同。

「最簡單的解釋就是,這些非常小的星系在宇宙早期的狀態和現在不同,能非常有效率的產生恆星,」他說,「這與我們對星系物理的理解,有著非常大的差異。」

另外一方面,原始氫氣吸收光子的速率至少比預期的還要高上兩倍。這表示我們對早期宇宙溫度的理論是有問題的,可能是原始氣體比預期更冷,或是背景輻射其實更熱。

有意思的是,還有另一篇論文也刊登在2月28日出版的《自然》(Nature)期刊,這篇研究認為與暗物質的交互作用會讓氣體冷卻,而能吸收更多的光子。

暗物質構成了宇宙大部分的質量,但它的行為卻與正常的物質不同,因此要理解暗物質十分困難。我們很難直接偵測到暗物質,科學家正努力研究確定暗物質究竟是什麼,又是如何隨著時間演變而影響宇宙結構。

「如果這是暗物質的訊號──這並非不可能,那就實在太令人興奮了!」麻省理工學院(MIT)的特蕾西.史萊堤爾(Tracy Slatyer)如此表示。

但她也指出,要下這樣的結論還為時過早。另一種可能性是,在當時就是有更多的光子能讓氫氣吸收,雖然我們還不清楚在這些光子究竟來自早期宇宙的何處。因此,在深入討論這個暗物質的假設之前,她和其他科學家還在等待其他獨立的研究,能夠確認EDGES望遠鏡的發現。

「如果能有機會嘗試以目前我們對暗物質和星系的理解,來解釋這些觀測結果,我覺得會更好。」富拉內托表示:「因為這實在與我們預期的差太多了,所以我很擔心這根本只是有什麼地方搞錯了,雖然我不知道會有什麼樣的可能性。」

 

撰文:NADIA DRAKE

編譯:林宇威

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