“宇宙黎明”的终结：天文学家们试图解决持续20年的争论

随着第一批恒星和星系的出现，大约1亿年后，这些气体又逐渐被恒星的紫外线辐射电离。这个过程将电子从质子中分离出来，使它们成为自由粒子。这个时代通常被称为 “宇宙黎明”。今天，所有散布在星系之间的氢气，即所谓的星系间气体，都被完全电离了。然而，那是什么时候发生的，是科学家们激烈讨论的话题，也是一个竞争激烈的研究领域。

“宇宙黎明”的终结

现在，由德国海德堡马克斯-普朗克天文研究所（MPIA）的Sarah Bosman领导的一个国际天文学家小组，已经将再电离纪元的结束时间精确到大爆炸后11亿年。“我对宇宙经历的不同阶段导致太阳和地球形成的想法非常着迷。能够为我们的宇宙历史知识贡献一个新的小部分，这是一个很大的荣幸，”Sarah Bosman说。她是这篇研究文章的主要作者，文章最近发表在《皇家天文学会月刊》上。

论文的共同作者、MPIA的天文学家Frederick Davies评论说：“直到几年前，普遍的看法是，再电离几乎在2亿年前完成。在这里，我们现在有最有力的证据表明，这个过程结束得更晚，在一个更容易被当代观测设施观测到的宇宙时代。”考虑到自大爆炸以来的几十亿年，这一时间修正可能显得微不足道。然而，在早期的宇宙演化中，再有几亿年就足以产生几十个恒星世代了。“宇宙黎明”时代的时间限制了在其持续的数亿年中存在的电离源的性质和寿命。

这种间接的方法是目前唯一的方式来描述推动再电离过程的天体的特征。直接观察那些最早的恒星和星系是当代望远镜无法做到的。它们实在是太微弱了，无法在合理的时间内获得有用的数据。即使是像欧空局的极大型望远镜（ELT）或詹姆斯-韦伯太空望远镜这样的下一代设施也可能难以完成这样的任务。

作为宇宙探测器的类星体

为了研究宇宙何时被完全电离，科学家们采用了不同的方法。一种是测量中性氢气在著名的21厘米光谱线上的发射。相反，Sarah Bosman和她的同事们分析了从强背景源收到的光。他们采用了67个类星体，即围绕着遥远的活跃星系中的中心大质量黑洞的明亮的热气体盘。观察类星体的光谱，它直观地显示了其强度在整个观测波长上的分布，天文学家们发现了光似乎消失的模式。这就是科学家们所说的吸收线。中性氢气在从光源到望远镜的过程中吸收了这部分光线。这67颗类星体的光谱具有空前的质量，这对于这项研究的成功至关重要。

该方法涉及观察相当于121.6纳米波长的光谱线。这个波长属于紫外线范围，是最强的氢气谱线。然而，宇宙膨胀使类星体的光谱向更长的波长移动，光走得越远，就越长。因此，观察到的紫外线吸收线的红移可以转化为与地球的距离。在这项研究中，当紫外线到达望远镜时，该效应已将其移至红外范围。

根据中性和电离氢气之间的比例，吸收的程度，或者反过来说，通过这种云的传输，达到一个特定的值。当光线遇到一个具有高比例电离气体的区域时，它不能那么有效地吸收紫外线辐射。这一特性正是研究小组正在寻找的。

类星体的光线在其路径上以不同的距离穿过许多氢云，每一个氢云都会在紫外线范围内留下其较小的红移的印记。在理论上，分析每条红移线的传输变化应该可以得出氢气完全电离的时间或距离。

模型有助于区分相互竞争的影响因素

不幸的是，情况甚至更加复杂。自从电离结束后，只有星系间的空间是完全电离的。有一个连接星系和星系团的部分中性物质的网络，称为“宇宙网”。在氢气是中性的地方，它也会在类星体的光线中留下它的痕迹。

为了解开这些影响，研究小组应用了一个物理模型，该模型再现了在更晚的时代测量到的变化，当时星系间气体已经完全电离了。当他们将该模型与他们的结果进行比较时，他们发现了一个偏差，即121.6纳米线的波长被移位了5.3倍，相当于11亿年的宇宙年龄。这一转变表明，当测量的类星体光的变化变得与来自宇宙网的单独波动不一致的时候。因此，那是中性氢气一定存在于星系间空间并随后被电离的最新时期。那是 “宇宙黎明 ”的结束。

未来是光明的

Frederick Davies说：“这个新的数据集提供了一个关键的基准，在未来的几年里，宇宙最初十亿年的数值模拟将在此基础上得到检验。他们将帮助确定电离源的特征，即第一代恒星。”

Sarah Bosman指出：“我们工作最令人兴奋的未来方向是将其扩展到更早的时代，向电离过程的中点发展。不幸的是，更远的距离意味着那些更早的类星体明显更暗。因此，像ELT这样的下一代望远镜的扩大收集区域将是至关重要的。”