宇宙黑暗时代要终结：这种原子是开启黑暗的钥匙

宇宙曾经在数亿年的时间里一片黑暗，而一种原子可能就是开启这个被遗忘时代的钥匙。很久以前，在第一颗恒星形成之前的几百万年里，整个宇宙一片黑暗。这段宇宙“黑暗时代”从大爆炸后约40万年开始，持续了数亿年，标志着最近一次真正的真空；宇宙中没有行星，没有恒星，没有星系也没有生命，只有一团由大爆炸形成的氢原子组成的雾，在无尽的黑暗中飘荡。

今天，世界各地的望远镜都在试图一窥这些原始的氢（被称为中性氢原子），以确定黑暗时代最终结束，以及第一个星系形成的时刻。虽然这些古老的原子非常难以捉摸，但在澳大利亚内陆进行观测的一组研究人员可能已经十分接近找到它们。

根据发表在预印本数据库arXiv上的一项新研究，天文学家使用默奇森广域阵列（Murchison Widefield Array，简称MWA）射电望远镜深入观察宇宙的过去，搜寻中性氢的标志性波长。这项研究的结果已经发表在近期的《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）上。遗憾的是，研究人员没有找到想要找的东西，但利用望远镜阵列最近更新的设置，研究小组确定了中性氢信号强度的最低限度。

研究报告的合著者、美国布朗大学物理学助理教授乔纳森·蒲柏（Jonathan Pober）说：“我们可以有把握地说，如果中性氢信号比我们在论文中设定的极限更强，那望远镜就会探测到它们。”这意味着寻找这些古老分子的工作仍在继续，而研究人员现在知道，中性氢的痕迹其实比预期的更加模糊。

第一个原子

贯穿早期宇宙的能量是如此之强，以至于每个原子的电子都被夺走，从而获得一个正电荷。第一个原子是带正电荷的氢离子。在数十万年的时间里，宇宙冷却并膨胀到足以让这些氢离子重新获得电子，再次变成中性。这些中性的氢原子被认为是宇宙黑暗时代的主要特征。最终，当足够多的原子聚集在一起，形成第一批恒星时，这些原子又会被这些恒星的辐射能量重新电离。

科学家已经知道，中性氢发出的辐射波长为21厘米。然而，随着宇宙在过去的120亿年里不断膨胀，这些波长也被拉长了。据这项新研究的作者估计，中性氢的波长已经延伸到大约2米，而他们正是利用WMA望远镜在天空中搜索这一信号。

问题是，有许多光源（包括人造的和天然的）都以相同的波长辐射。“所有这些其他光源都比我们试图探测的信号强很多个数量级，”蒲柏说，“即使是从一架恰好经过望远镜上方的飞机反射回来的调频无线电信号，也足以污染数据。”

因此，蒲柏和同事们写了一组方程，以在观察结果中识别并去除这些干扰。在拍摄了1200多张天空的无线电波快照后，研究人员确定，他们发现的每一个2米波长的痕迹信号都来自于中性氢以外的其他来源。

虽然最重要的中性氢原子信号仍未被发现，但这项新研究成功缩小了未来寻找中性氢的范围。研究人员称，这些结果有力地表明，MWA望远镜的观测正引导我们沿着正确的道路寻找中性氢。随着进一步的研究，宇宙黑暗时代的最后遗迹可能很快就会被发现。

什么是宇宙的“黑暗时期”？

宇宙演化历史中的“黑暗时期”指的是大爆炸结束时的等离子体复合到第一代恒星开始形成的使其。此前的宇宙中充满高能量的光子，导致宇宙中的普通物质（主要是氢和氦）处于电离状态。大爆炸后约40万年时，随着宇宙膨胀，这些光子的能量不足以再电离氢和氦，于是自由电子与氢、氦原子构成中性原子。

随着自由电子消失，光子可以自由传播，不再发生散射，从而使宇宙变得透明。这些光子最终红移至微波波段，形成今天我们所观测到的宇宙微波背景辐射。此时的宇宙十分均匀，没有恒星，除了氢、氦和少量在大爆炸核合成时期产生的轻核如氘、氦-3、锂之外也没有其他元素，因此被称为黑暗时期。

目前，现有的天文观测可以看到黑暗时期之前的宇宙，即宇宙微波背景辐射；也能够看到黑暗时期之后的宇宙，包括恒星、星系、类星体等，但仍然无法观测到黑暗时期的宇宙。了解并观测这段时期发生的物理过程是天文学中非常重要的科学问题。

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