追蹤宇宙第一代恒星

宇宙中最早的恒星誕生于大爆炸之后。尋找這些恒星的光芒并非易事。

幾年前，阿維·勒布（Avi Loeb）和他的家人搬到了澳大利亞以南150英里的塔斯馬尼亞島上的搖籃山附近。他們的屋子里沒(méi)有安裝網(wǎng)絡(luò)，也正因?yàn)槿绱?，勒布才不用將大把時(shí)間耗費(fèi)在瀏覽網(wǎng)頁(yè)上。每每晚飯過(guò)后，勒布都會(huì)走出房間望一望頭頂那片天空，它是多么的澄澈，不受任何城市燈光的污染。璀璨的繁星令他驚嘆不已，甚至興奮到頭暈?zāi)垦！蔁o(wú)數(shù)燦爛恒星組成的銀河橫貫蒼穹；而離我們最近的大型旋渦星系——仙女座星系，在天空中只是一塊月亮大小的暗斑。

勒布是哈佛大學(xué)天文系主任，也是理論與計(jì)量研究所的所長(zhǎng)。他凝視著美麗的夜空，欣賞著黑色天幕上排演的每一個(gè)景象，突然之間，對(duì)于他所研究的東西有了些許靈感。宇宙中第一代恒星和星系是如何被點(diǎn)亮的？它們又誕生在何時(shí)？長(zhǎng)久埋藏在心底的研究課題或許有了明確的答案。

追尋星光

勒布今年52歲，但看上去很年輕，留著一頭棕色的短發(fā)，身材結(jié)實(shí)而健壯。他并沒(méi)打算成為一名天體物理學(xué)家。他在以色列出生、成長(zhǎng)，經(jīng)常在周末尋找一處僻靜之所，讀書(shū)、思考。勒布說(shuō)：“我發(fā)現(xiàn)，哲學(xué)提出了幾大基本問(wèn)題，卻從來(lái)沒(méi)有解決它們。”他意識(shí)到，科學(xué)也許能給予他合適的機(jī)會(huì)來(lái)提供一些解答。

1980年，18歲的勒布有幸參與8年精英軍事計(jì)劃，攻讀數(shù)學(xué)和物理學(xué)。他并沒(méi)有學(xué)習(xí)跳傘、駕駛坦克以及參加其他軍事訓(xùn)練，而是朝著物理學(xué)博士方向努力。他研究的目標(biāo)是發(fā)明一種新型槍支，其彈丸可加速到很高的速度。這項(xiàng)研究為他帶來(lái)了免費(fèi)美國(guó)之旅，還能參與總統(tǒng)羅納德·里根的戰(zhàn)略防御計(jì)劃。在訪問(wèn)期間，他參觀了普林斯頓高等研究所等研究中心。就是在這里，如今已故的天體物理學(xué)家約翰·巴考爾（John Bahcall）授予他5年獎(jiǎng)學(xué)金，但條件是他的研究方向要從物理學(xué)轉(zhuǎn)向天體物理學(xué)。

勒布欣然接受。在1988年至1993年間，他在研究所里刻苦自學(xué)了天文學(xué)。他回憶道：“一切都必須從頭開(kāi)始學(xué)起，我甚至不知道太陽(yáng)是怎么發(fā)光的?！痹谒l(fā)表了大量論文后，1993年，他來(lái)到哈佛大學(xué)擔(dān)任助教，把研究的重點(diǎn)放在了“宇宙中的第一束光”上。在當(dāng)時(shí)，這是一個(gè)非常艱深的領(lǐng)域，因?yàn)槭澜缟现挥猩贁?shù)科學(xué)家鉆研這個(gè)課題。他打算考察第一代恒星的誕生，而非138億年前宇宙的誕生，因?yàn)樗腚x“宇宙的本源”更近一些。正如他所說(shuō)：“我們由重元素組成，這些重元素是從第一代恒星產(chǎn)生的，而不是宇宙大爆炸?！?/p>

此外，我們無(wú)法直接觀測(cè)到宇宙大爆炸，但宇宙學(xué)家如今可以憑借望遠(yuǎn)鏡以及更多先進(jìn)的儀器尋找第一代恒星和星系。勒布覺(jué)得這樣的研究和考古學(xué)有相似之處，我們就像在挖掘宇宙深處的古老文物：光在宇宙空間中行進(jìn)的速度是有限的，我們探測(cè)遙遠(yuǎn)的光源就相當(dāng)于了解宇宙的過(guò)去。因此，觀測(cè)距地球130億光年的星系（當(dāng)然，現(xiàn)在它離我們更遠(yuǎn)，因?yàn)橛钪嬖谂蛎洠┚湍軌蚩吹?30億年前宇宙的模樣。

讓恒星誕生

20世紀(jì)90年代中期，勒布在天體物理學(xué)方面開(kāi)始做出成績(jī)，他同在校研究生佐爾坦·海曼（Zoltan Haiman）和博士安妮·索爾（Anne Thoul）一起發(fā)現(xiàn)了第一代恒星誕生的機(jī)制和過(guò)程。這個(gè)過(guò)程始于宇宙大爆炸后不久，那時(shí)宇宙中的物質(zhì)分布不太均勻，一些區(qū)域中的物質(zhì)密度比平均值高出0.001%。引力將更多的物質(zhì)聚攏在這些區(qū)域，使致密的地方變得越來(lái)越致密。主要由氫原子組成的氣體云開(kāi)始聚集起來(lái)。

勒布和他的同事為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)這些氣體云是對(duì)稱的球體，在正常情況下，它們會(huì)坍縮形成恒星。這個(gè)過(guò)程是一種非常精妙的平衡：在引力作用下，氣體云發(fā)生壓縮，但當(dāng)氣體的體積縮小，溫度上升，向外擴(kuò)張的壓力就增強(qiáng)了，這又限制了氣體云進(jìn)一步坍縮。氣體云的中央必須要變得足夠致密才能夠觸發(fā)核聚變反應(yīng)，釋放出巨大能量，恒星才可能形成。但是，如果氣體云無(wú)法冷卻下來(lái)以減少向外的壓力，它就永遠(yuǎn)達(dá)不到那個(gè)關(guān)鍵的密度閾值。

勒布的團(tuán)隊(duì)很快就發(fā)現(xiàn)了氣體云冷卻的一種方式。當(dāng)氣體變得愈發(fā)致密，兩個(gè)氫原子可能會(huì)聚合成一個(gè)氫分子。這些分子一開(kāi)始只是氣體的很小一部分，但它們能吸收氣體周圍的熱能，并在發(fā)光的過(guò)程中釋放這些熱量，這樣就能降低氣體云的溫度，為恒星形成創(chuàng)造有利環(huán)境。

勒布團(tuán)隊(duì)不停地演算著整個(gè)模型中恒星產(chǎn)生的過(guò)程，覺(jué)得是時(shí)候號(hào)召更多精通計(jì)算機(jī)的天文學(xué)家加入進(jìn)來(lái)了?，F(xiàn)就職于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的沃爾克·布羅姆（Volker Bromm）說(shuō)：“勒布把這個(gè)奇妙的物理問(wèn)題帶給了我們。我們和他一起利用計(jì)算機(jī)程序?qū)⑦@項(xiàng)研究進(jìn)一步深化?！?/p>

多年來(lái)，布羅姆和其他科學(xué)家的計(jì)算機(jī)模擬表明，遵循勒布提出的一般路徑的氣體云能夠產(chǎn)生許多大小各異的恒星?？傮w來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程為早期星系的形成提供了條件。

探尋氣體云

帶著尋找孕育第一代恒星的氣體云的信念，勒布在過(guò)去十年間把大量精力用在了一個(gè)新的領(lǐng)域——“21厘米宇宙學(xué)”。它是射電天文學(xué)的一個(gè)分支，關(guān)注的是21厘米波長(zhǎng)的電磁輻射波。正是憑借這項(xiàng)技術(shù)，天文學(xué)家證實(shí)了恒星的祖先——?dú)怏w云——主要由氫原子構(gòu)成。每個(gè)氫原子（由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成）都可在兩種稍微不同的狀態(tài)下被發(fā)現(xiàn)：電子和質(zhì)子同向旋轉(zhuǎn)的高能狀態(tài)以及電子和質(zhì)子反向旋轉(zhuǎn)的低能狀態(tài)。當(dāng)原子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，會(huì)發(fā)射出一個(gè)21厘米無(wú)線電波譜線的光子。天文學(xué)家通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡尋找宇宙中21厘米波長(zhǎng)的發(fā)源地，就能確認(rèn)遙遠(yuǎn)的富含氫原子的區(qū)域，從而追溯到第一代恒星形成的那個(gè)時(shí)代。

當(dāng)時(shí)，勒布和他的哈佛同事馬蒂亞斯·扎達(dá)日伽（Matias Zaldarriaga）（阿根廷天體物理學(xué)家）向其他科學(xué)家介紹21厘米宇宙學(xué)是如何更詳盡地解釋宇宙的，使他們對(duì)此產(chǎn)生極大的興趣。這個(gè)方法讓天文學(xué)家揭開(kāi)了宇宙“黑暗時(shí)期”的面紗——從宇宙大爆炸到1億年后恒星開(kāi)始發(fā)光之間的那段“低迷混沌期”。

這個(gè)方法的另一項(xiàng)潛在回報(bào)就是能夠捕捉到宇宙演化的信息。要知道，宇宙在大爆炸之后不斷膨脹，不但空間在延伸，光和其他形式的電磁輻射也在延伸?，F(xiàn)在，我們假定宇宙大爆炸后的5億年時(shí)，一個(gè)由氫原子構(gòu)成的氣體云向外輻射出21厘米波長(zhǎng)的無(wú)線電波，同時(shí)，宇宙膨脹因子是10。130年后，這些到達(dá)我們視野的無(wú)線電波也是以10為膨脹因子在延伸，我們接收到的信號(hào)變成了210厘米波長(zhǎng)的無(wú)線電波。然而，更晚誕生的無(wú)線電波則不會(huì)拉長(zhǎng)那么多倍，假定它們的膨脹因子是5，則它們的波長(zhǎng)變成了105厘米。勒布和扎達(dá)日伽告訴同事，他們對(duì)宇宙的歷史有了更為清晰、明確的認(rèn)識(shí)。

再電離時(shí)期

如今，宇宙學(xué)家將利用新建的射電天文望遠(yuǎn)鏡陣列確定第一代恒星形成的具體時(shí)間。為了理解他們的方法，讓我們重溫宇宙大爆炸后物質(zhì)普遍由氫原子構(gòu)成的炙熱時(shí)期。

由于那時(shí)溫度極高，輻射極強(qiáng)，這些原子最初是以電離的形態(tài)存在的：帶負(fù)電的電子與帶正電的質(zhì)子剝離，留下帶正電的氫離子（實(shí)際上只有質(zhì)子）。宇宙誕生后的大約38萬(wàn)年后，物質(zhì)逐漸冷卻下來(lái)，電子和質(zhì)子開(kāi)始合并，形成一種“中性”的氫原子，即凈電荷為零的基態(tài)氫原子。氫原子一直維持這個(gè)狀態(tài)，直到恒星和星系開(kāi)始形成。這些新生恒星除了能夠產(chǎn)生可見(jiàn)光，還能輻射紫外線。紫外線將中性氫原子分離成電子和質(zhì)子——?dú)湓佑忠淮伪浑婋x——這被科學(xué)家稱作“再電離時(shí)期”。

電離氫原子不能發(fā)射出21厘米輻射，因?yàn)檫@取決于電子和質(zhì)子的相對(duì)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，天文學(xué)家通過(guò)確認(rèn)21厘米發(fā)射譜線消失來(lái)尋找再電離的氫原子——這也就是恒星之光同時(shí)被點(diǎn)亮的證據(jù)。以他們自己的話來(lái)說(shuō)，他們的戰(zhàn)略是要搜尋有關(guān)第一代恒星的某些效應(yīng)，而非恒星本身。

勒布說(shuō)，這種21厘米無(wú)線電波信號(hào)突然消失的情況并不會(huì)一次性出現(xiàn)在所有地方。他用瑞士奶酪來(lái)做類比：奶酪上的洞代表恒星和星系及其周圍的區(qū)域，這些區(qū)域的紫外線已經(jīng)把氫原子電離了，中斷了21厘米無(wú)線電波信號(hào)；奶酪的實(shí)心部分則代表未接收到輻射的區(qū)域，這些區(qū)域中的中性氫原子仍然存在。

隨著時(shí)間的推移，奶酪上的洞不斷擴(kuò)張，相互重疊在一起，最終只剩下洞，奶酪（中性氫原子）消失了。勒布說(shuō)：宇宙如今正是這樣的狀況，氫原子全部再電離，這種狀況已經(jīng)持續(xù)了120多億年。實(shí)際上，勒布認(rèn)為在大爆炸后的9.5億年間，宇宙中99.99%的區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了再電離。

在那個(gè)時(shí)期，恒星是如何誕生的？柏克萊加州大學(xué)的亞倫·帕森斯（Aaron Parsons）也對(duì)此產(chǎn)生了興趣。帕森斯是南非卡魯沙漠128天線再電離高精度望遠(yuǎn)鏡陣列（PAPER）的聯(lián)合首席研究員。他是這樣描述他的目標(biāo)的：第一代恒星產(chǎn)生的紫外線足以電離星系間的氣體；問(wèn)題是“這是何時(shí)發(fā)生的”？帕森斯也沒(méi)有直接觀測(cè)恒星，而是嘗試捕捉21厘米信號(hào)消失的瞬間，這應(yīng)該和多數(shù)氫原子發(fā)生電離的時(shí)間相一致。

帕森斯和它的同事們開(kāi)始觀察二維的“瑞士奶酪片”，計(jì)算著奶酪上的洞——代表再電離的范圍和影響。如果這個(gè)方法獲得成功，下一步要做的便是拓展高精度望遠(yuǎn)鏡或建立新的陣列，提高觀測(cè)技術(shù)，最終直接得到三維空間中中性氫原子的分布以及失去中性氫原子的“空洞奶酪”。這將是對(duì)整個(gè)宇宙再電離時(shí)期的一個(gè)更全面的模型。只要知道再電離被觸發(fā)的時(shí)間，科學(xué)家就能夠精確推斷第一代恒星開(kāi)始涌現(xiàn)的那一刻。

下一個(gè)前沿

與此同時(shí)，勒布還在鉆研另一個(gè)宇宙學(xué)前沿項(xiàng)目，通過(guò)觀測(cè)中性氫原子去探尋更早期的宇宙——恒星形成前的黑暗時(shí)期。他認(rèn)為這可能是最有趣的時(shí)代，因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)代中，最原始的氫開(kāi)始成形，組成了能夠孕育恒星和星系的氣體云。

勒布是黑暗時(shí)期無(wú)線電探測(cè)（DARE）計(jì)劃的研究員。這個(gè)計(jì)劃將在繞月探測(cè)器上放置一根無(wú)線電天線。由于探測(cè)器位于地球電離層之上，接收到的電磁頻率不會(huì)受到電離層的干擾，所以能夠比如今其他天線傳遞更為清晰的信號(hào)。勒布在儀器的設(shè)計(jì)上做了優(yōu)化，但他擔(dān)心這個(gè)計(jì)劃僅僅是一個(gè)想法，而且還未獲得資金支持。

即使不實(shí)施DARE計(jì)劃，現(xiàn)存的項(xiàng)目也已經(jīng)開(kāi)始搜集新的數(shù)據(jù)。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡最近就鎖定了一個(gè)在大爆炸后3.8億年誕生的星系。哈勃的繼任者——韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，口徑將是哈勃望遠(yuǎn)鏡的三倍，接收面積是哈勃的7倍。這個(gè)6.5米口徑的大鏡子能夠探測(cè)更暗淡更古老的星系。

勒布和哈佛大學(xué)同時(shí)也是巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡（GMT）計(jì)劃的合作伙伴。GMT的口徑是24.5米，將在智利拉斯坎帕納斯天文臺(tái)所在山頂建成。GMT將在下一個(gè)十年開(kāi)展觀測(cè)項(xiàng)目。GMT比現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡大5倍，未來(lái)它將會(huì)提高科學(xué)家搜尋第一代星系的效率。

在這期間，還有兩個(gè)更為宏大的項(xiàng)目將要啟動(dòng)——夏威夷的30米口徑望遠(yuǎn)鏡和智利的39米口徑歐洲超大望遠(yuǎn)鏡。不過(guò)目前資金仍然是個(gè)問(wèn)題。

這些高端的項(xiàng)目比過(guò)去20年的先進(jìn)許多，將會(huì)給勒布的研究帶來(lái)可喜的變化。對(duì)于未來(lái)數(shù)年巨量的數(shù)據(jù)，勒布已經(jīng)做好充分的準(zhǔn)備，并設(shè)計(jì)了詳盡的策略和流程去分析和研究。盡管還不知道這些數(shù)據(jù)將傳達(dá)什么樣的信息，激發(fā)科學(xué)家的何種新發(fā)現(xiàn)，但勒布希望這些數(shù)據(jù)能對(duì)修正目前的第一代恒星模型有所幫助——哪怕是獲得出乎預(yù)料的結(jié)論，他也會(huì)欣然接受。