《塞爾達傳說：王國之淚》如何解釋宇宙再電離

編譯 苦山

當我們所知的宇宙從熾熱的大爆炸中誕生時，它充滿了各種各樣的高能粒子、反粒子和輻射量子：這就是宇宙的原始湯。隨著時間的推移，它膨脹又冷卻，最終冷卻到足以產生穩定的中性原子，這時，時間已過去了幾十萬年。盡管在這段宇宙歷史的前1億年至前1.5億年內很可能形成了最早的恒星和星系，但在長達5.5億年內，宇宙在很大程度上仍然是黑暗、對光不透明的，這是因為早些時候形成的中性原子極其擅長阻擋光的光學波長。只有通過漸進、緩慢的宇宙再電離過程，宇宙才變得對光透明。

雖然像詹姆斯 ? 韋布空間望遠鏡（JWST）這樣的新穎天文臺為我們提供了大量有關宇宙再電離的知識，但是有一個極好的類比可以幫助大家理解宇宙再電離，《塞爾達傳說》視頻游戲系列的最新作品《王國之淚》。在海拉魯王國的地下，是一片被稱為“地底”的黑暗、廣袤的地下區域，正是這些地底區域可以給我們許多啟發，讓我們搞懂宇宙再電離如何讓宇宙變得對可見光透明。

插圖左側展示了《塞爾達傳說：王國之淚》游戲中，主人公林克在海拉魯大陸地底的情景。遠處可以看到一個未激活的破魔之根。插圖右側則描繪了膨脹宇宙中三個相鄰的恒星形成區域，它們的“再電離氣泡”為星光刺透宇宙清出了道路

盡管我們仍未理解宇宙成長過程中的許多細節，但其“故事主線”已經非常明確了。我們知道，它起初的狀態熾熱、致密、基本均勻，此后膨脹又冷卻，同時受到了引力的作用。有些區域誕生時的密度略高于宇宙平均密度，另一些區域誕生時的密度則低于平均。隨著宇宙演化，密度較大的區域逐漸吸引了越來越多的物質，而密度較小的區域則將物質輸送給了周圍密度相對更大的區域。隨著時間推移，這導致了大尺度結構的形成：這些結構最終會成為緊密結合在一起的恒星、星系、大型星系群和星系團。

但當第一批恒星從氣體和物質的坍縮中形成時，它們的四周都被大量的中性原子包圍著。盡管恒星本身在核心點燃核聚變后會發出大量的電離紫外線輻射，但周圍的中性物質對它們來說實在是太多了，多到它們無法穿透周身的黑暗。光只能在恒星周圍產生一個有限距離的“電離氣泡”，其余所有的光都會被星際空間中的中性物質吸收——或者像天文學家說的那樣，被消光。

與之類似的是，當塞爾達系列的主人公林克第一次潛入海拉魯地底時，他發現自己正獨自站在一片黑暗的深淵中，看不到周圍的任何東西，伸手不見五指。當然，地底有各種各樣的危險（公平地說，這些危險在早期宇宙中是不存在的），但林克有著對抗這種黑暗的關鍵工具。在游戲早期，林克能夠碰到并收集的物品之一叫作“光亮花的種子”，它們有兩種類型：普通型和巨大型。

一位藝術家對早期宇宙環境的印象，此時已有數萬億顆恒星形成、生存并消亡。盡管早期宇宙中存在光源，但光會被星際或星系間物質迅速吸收，直到再電離完成。雖然詹姆斯?韋布空間望遠鏡正在努力揭示這些早期恒星存在過的證據，但它只能揭示那些光線沒有完全被中性物質消光的星系

類比而言，林克的初始位置可以被認為是太空中首個引力密度大到足以形成恒星的區域，而光亮花的種子就像那第一批發光的大質量恒星。雖然它們只能照亮林克周圍的一小段距離，但這是對于早期宇宙的一個完美類比，因為阻擋光線的中性物質使得小型電離氣泡外的一切都難以看清，而在氣泡內，紫外線已將中性原子內的電子踢走，令其不再阻擋光線。

在林克首次潛入地底并探索周圍環境后，他有兩條路可以走：他可以隨時離開地底，只需把自己傳送回海拉魯大陸（或天空）即可；或者，林克也可以繼續探索地底，直到遇見一個等待被激活的巨大光源：這個結構被稱為破魔之根。

如果林克離開地底，等他稍后返回地底時會發現，他此前通過種植普通和巨大光亮花的種子照亮的每個區域都已重陷黑暗。之前種植的所有光亮花種子如今都消失了，不留一點痕跡。

對于宇宙中最早形成的恒星來說，這是一個完美的類比。如果有一片太空區域，在早期，區域內有恒星首次形成，隨后，星體形成停止，那么周圍被電離的原子并不是被“吹”去了星系間的太空深淵，而是保持著電離狀態：原子核裸露，自由電子則漂浮在周圍。一旦大部分紫外線消失（也就是當最富含紫外線、質量最大、壽命最短的恒星耗盡燃料死去時），這些原子核和電子就會再次找到彼此，重新組合成中性原子。盡管區域內應該仍有長壽恒星的較小“核心”存活，防止該區域完全變為中性，此前被照亮的大部分空間都會重陷黑暗，這和海拉魯地底的情況一模一樣。

然而，林克也會在海拉魯地底發現一種被稱為“破魔之根”的物品。當你激活這些破魔之根時，它們會呈現為強大、持續的光源，照亮以它們所在位置為中心的大片黑暗區域。它取代了附近的任何光亮花種子，只是簡單地將一個大致呈球形對稱的巨大區域內的黑暗徹底驅散。林克甚至可以遠離破魔之根、在黑暗中前進相當一段距離，卻仍然可以看到點亮的破魔之根。而且，當林克傳送離開再返回時，他會發現破魔之根的光并未隨著時間的推移減弱。

這件事也能在宇宙學中找到類比：破魔之根就像一個耀眼且質量巨大的早期星系，在很長一段時間里，它不斷地生長并形成明亮的恒星。這些明亮的光源會輸出橫跨整個電磁波譜范圍的大量輻射，包括紫外線，而且隨著時間的推移，這種輸出保持不減甚至增長，人們認為早期宇宙中許多的恒星形成區域就是如此。這最終在它們周圍形成了一個巨大、持續的電離物質“氣泡”，并且這些氣泡在宇宙自身膨脹的同時也在繼續增長。只有在這些氣泡的邊緣之外，才能找到更多阻擋光線的中性原子，與此同時，隨著宇宙不斷擴張和演化，氣泡也繼續緩慢地向外蔓延。

但是，當林克距離激活的破魔之根很遠時回頭看它，會看到什么呢？在《王國之淚》中，有兩種方法可以找到答案：要么讓林克步行到遠離破魔之根照亮的球形區域的地方，要么先離開地底，再從其他位置下地。如果你不看點亮的破魔之根，而是望向其他方位，那么你的視野就會不出意料地重陷黑暗。然而，當林克回頭朝破魔之根的方向眺望時，取決于他和已激活的破魔之根之間的距離，他也許能夠辨認出它的位置和形狀。他在黑暗中離它越遠，它就越是顯得模糊黯淡、難以辨認。

在阻擋光線的中性物質仍然存在時，當我們觀察超遠宇宙中的天體，會注意到同樣的情況。盡管這些發光天體本身非常明亮，但我們看到它們的能力取決于我們視線方向上阻擋光線的中性物質的濃度。目前發現的最為明亮、遙遠的天體中，有一部分只能通過詹姆斯 ? 韋布空間望遠鏡觀測到，因為它在紅外觀測方面做了優化，但是另一些天體仍然在我們強大的光學望遠鏡（如哈勃望遠鏡）的觀測范圍之內。這種阻擋光線的中性物質只能吸收部分光線，因此，決定消光程度的是發光源和我們自己（最終的觀測者）之間的中性物質總量。

在《王國之淚》中，當光亮花的種子被種植到海拉魯地底的土地上時，它會在種子周圍創造一個被照亮的區域，驅散一定范圍內的黑暗。但要永久照亮一片更大的區域，就必須激活破魔之根

哈勃空間望遠鏡之所以能像這張圖一樣向我們展示這個遙遠的星系GN-z11，只是因為它位于一個大部分星系間介質都被再電離的區域。其他處于相同距離，但并未位于再電離制造出的、幸運地超出均值的視距范圍內的星系，只能以更長波長的形式呈現

常規而言，林克會在冒險過程中潛入各個地點的地底，在黑暗中不斷種下光亮花的種子和巨大光亮花的種子，直到他找到破魔之根并激活它，隨后破魔之根會驅散周圍的黑暗。但因為林克一次只能出現在一個地方，所以這些“光點”在亮起并驅散周圍的黑暗時會呈現出成團聚集的形態。先是有一個地方亮起了光、照亮黑暗，然后附近的其他地方也亮起光，再之后——也就是林克離開地底后——光會零星在別處亮起：在林克下一次進入地底的位置。

隨著時間的推移，這最終會在地底創造出一種“瑞士奶酪”型的光結構，來自相鄰破魔之根的光芒會疊加起來，變得比任何一個破魔之根單獨亮起時更亮。彼此臨近的多個破魔之根被激活后，會進一步照亮它們附近的環境，經常會令光線照到出乎預料的地點。如果存在難以進入的黑暗區域或是被激活的破魔之根包圍的未激活破魔之根，哪怕這些區域周圍已被點亮許久，區域內仍會保持黑暗。甚至到了游戲的最后階段，這些區域仍有可能黑著。

每一個被激活的破魔之根（在地圖上由菱形表示）都會照亮周圍很長一段距離內的黑暗。如果像圖中這樣激活了多個相鄰的破魔之根，那么它們照亮的部分將比任何一個破魔之根單獨被激活時更亮

雖然在不斷膨脹的宇宙中，時常有恒星在不同的太空區域同時形成，但在再電離過程中出現的“瑞士奶酪”結構與《王國之淚》中地底隨著時間的推移逐漸被照亮的情形極為相似。在恒星不斷形成的地方（它們通常會通過并合與吸積形成星系），這些再電離氣泡就會出現。盡管宇宙在膨脹，但這些氣泡也在增長，此外，每當有原始物質觸發恒星首次形成，這些地方也會出現新氣泡。

當然，海拉魯的地底并不會膨脹擴大，所以如果我們想要比較這兩種情境，我們必須將膨脹這個條件剔除，但我們仍能發現共通的特征。

當兩個恒星形成區域彼此接近時，它們的再電離氣泡將會重疊，使得來自各自區域的紫外光子傳播更遠的距離，從而形成一個更大的、不斷增長的氣泡，同時包圍兩者。當再電離的小氣泡被較大的氣泡取代時，較大的氣泡占主導地位，但是較小的氣泡仍有其貢獻。

宇宙中的第一批恒星被吸收星光的中性原子（大多是氫原子）包圍。隨著更多恒星代代相繼地形成，宇宙逐漸再電離，使我們能夠完全看到星光，并研究觀測對象的基本屬性。然而，在遠離恒星光源的區域，中性原子可以持續存在比平均宇宙時間更長的時間

隨著新的光源出現，早期的氣泡和后產生的氣泡融合，最終增長到極大，足以照亮周圍的大部分區域。

130多億年前，在再電離時代，宇宙是一個和如今截然不同的地方。星系間的氣體對于高能光來說基本上是不透明的，因此很難觀測到年輕的星系。詹姆斯?韋布空間望遠鏡正在深入探測太空，搜集更多存在于再電離時代的天體的信息，以幫助我們理解宇宙歷史上的這一重大過渡時期

在宇宙的例子里，當再電離完成時，宇宙對所有波長的光都變得完全透明，包括可見光。

然而，海拉魯的地底和再電離的宇宙之間存在著一個主要且重大的區別，就算撇去宇宙會膨脹這一條件，就算意識到在不同地點會同時發生多個“點亮”事件，這一區別仍然存在。

隨著時間的推移，海拉魯的地底變得越來越明亮，因為此前點亮的破魔之根永遠不會熄滅，同時又不斷有新的破魔之根被點亮，最終，地圖將僅僅由破魔之根——地底最亮的光源——完全點亮。

然而，在實際的宇宙中，我們并不期望這種情況發生。雖然在《王國之淚》中，最終照亮整個地底的是破魔之根，而非巨大或普通光亮花的種子，但在真實宇宙中，真正重要的是紫外線的總通量，而不論其來源。盡管詹姆斯 ? 韋布空間望遠鏡（以及其他天文臺）最擅長發現亮度最大的光源，但據估計，絕大多數的紫外光子（至少80%，至多95%）都是由較小的結構產生的：恒星團和小型星系，而非產生最多輻射的巨型恒星。詹姆斯 ? 韋布空間望遠鏡和其他現代天文臺的一部分科學目標就在于準確地了解不同大小和亮度的星系是如何最終使宇宙完全再電離的。