宇宙黑暗时代：你需要知道的一切

　　宇宙黑暗时代动画显示宇宙随着时间的推移，从目前的许多星系开始，它们逐渐缩小到一个橙色的点。(图片来源:uux.cn/Getty Images科学图片库)

　　据美国太空网（康纳·菲利）：“宇宙黑暗时代”指的是早期宇宙中的一个时期，当时光源被中性氢气的浓雾所掩盖。虽然光现在可以向宇宙的各个方向传播，使宇宙透明，但早期的宇宙被氢气笼罩，吸收了第一批恒星和辐射源发出的光。

　　在宇宙大爆炸后的前380，000年里，所有的物质和能量都以一个极热、致密的电离等离子体膨胀球的形式存在。此时，这种高能汤中的亚原子粒子之间的碰撞阻止了粒子获得电子以形成稳定的原子。然而，一旦宇宙充分膨胀和冷却，亚原子粒子可以获得电子形成中性氢原子，宇宙黑暗时代开始了。

　　然而，一旦有足够多的恒星诞生，它们产生的紫外光最终电离了星际空间中的所有氢，允许光子在宇宙中向各个方向自由传播，而不会被中性氢吸收或散射。通过模拟和观察的结合，天体物理学家估计宇宙黑暗时代开始于大爆炸后38万年。被认为结束宇宙黑暗时代的过程开始于大爆炸后大约6 . 8亿年，结束于大爆炸后大约11亿年。

　　宇宙黑暗时代常见问题

　　宇宙黑暗时代持续了多久？

　　虽然普遍认为宇宙黑暗时代开始于大爆炸后第一个中性氢原子形成的380，000年，但这一时期的确切结束时间仍然是一个有争议的问题。随着越来越多的恒星从宇宙黑暗中出现，宇宙中早期的大质量恒星向宇宙中发出紫外光的再电离过程可能需要几百万年。对早期星系的观察表明，电离开始于大爆炸后大约6.8亿年，而可见宇宙的完全电离可能在大爆炸后大约11亿年完成。

　　宇宙的黑暗时代是什么？

　　短语“宇宙的黑暗时代”指的是早期宇宙的一个阶段，当时宇宙被黑暗笼罩。在早期宇宙中，紫外线不能自由地长距离传播，因为它被稠密的中性氢原子云吸收和散射。

　　是什么导致了宇宙黑暗时代的结束？

　　宇宙黑暗时代的结束是一个渐进的过程。早期宇宙中密度较大的中性氢气区域最终在引力作用下坍缩，形成了大质量恒星——宇宙中的第一批恒星。这些恒星向附近的宇宙发出了大量的紫外光，但直到早期宇宙中恒星和原星系丰富时，才有足够的紫外光被发射到太空中，以完全再电离星际空间中的所有中性氢。

　　氢的出现

　　宇宙黑暗时代的开始是由宇宙中氢的出现带来的。大爆炸是热的。但是，一旦由质子、电子和其他亚原子粒子组成的稠密等离子体由于宇宙的膨胀而获得足够的空间来冷却，这些电子和质子可以聚集在一起形成原子，以大量氢和少量氦的形式存在。

　　虽然星系中丰富的氢最终孕育了第一批恒星和星系，但这种原始氢对电磁波谱中不同频率光的吸收，让青少年宇宙变得不透明。

　　然而，一旦第一批恒星和星系的熔炉遍布整个宇宙，足够的高能紫外线辐射——光子——被发射到星际空间，以剥夺中性氢原子的电子。现在，这些高能光子没有被这些携带电子的氢原子吸收，而是自由地在宇宙中长途旅行。

　　第一批恒星和星系

　　一位艺术家对早期宇宙中恒星暴增的星系的印象，这些星系通过宇宙网中的细丝被供给恒星形成的原材料。(图片鸣谢:uux.cn/艾伦·m·盖勒(Aaron M. Geller)，西北大学，CIERA + IT-RCDS)

　　天文学家估计，在宇宙历史的第一个5亿年中，第一批恒星和星系开始在宇宙中出现。这些早期的恒星群体负责将第一批重元素分布到整个宇宙，并触发了再电离过程，使光能够不受阻碍地穿越太空。

　　詹姆斯·韦伯太空望远镜上的近红外相机为天文学家提供了前所未有的机会来观察早期宇宙中的这些结构，并且发现了一些惊喜。对这些早期星系的观测表明，它们比星系形成模型预测的要明亮得多。一种解释是，这些早期星系充满了极其巨大、酷热的恒星。

　　追溯宇宙黑暗时代

　　我们对宇宙黑暗时代存在的宇宙进行观测的能力受到几个明显障碍的限制。首先，当时天很黑，光源被当时浓密的氢气云遮挡。然而，天文学家和宇宙学家认为，有一天我们可能能够在早期宇宙中观察到这一时期的一些光——即氢气发出的无线电波。

　　只有在太空中才能观测到如此巨大的无线电波，因为地球的大气层阻挡了它们。然而，有一天，一个基于月球的天文台可以回溯到宇宙看起来与现在大不相同的时代。天文学家已经表明，基于月球的射电天文台可以提供宇宙黑暗时代诱人的一瞥。