天文太空

第一道星光 劃破黑暗時代

在大霹靂放出光亮後不久,所有的光消散了,宇宙陷入黑暗之中。約10億年後,宇宙重現光明;天文學家正致力解開其中的秘密。

撰文/雷蒙尼克(Michael D. Lemonick)
翻譯/李沃龍

天文太空

第一道星光 劃破黑暗時代

在大霹靂放出光亮後不久,所有的光消散了,宇宙陷入黑暗之中。約10億年後,宇宙重現光明;天文學家正致力解開其中的秘密。

撰文/雷蒙尼克(Michael D. Lemonick)
翻譯/李沃龍

重點提要
■宇宙的第一代恆星與星系完全不像我們今天所見的天體,天文學家企圖「回溯時光」,研究宇宙最早天體的起源。
■「再游離化」是指光游離了當時瀰漫在宇宙裡的中性氫,天文學家對於再游離化的原因特別感興趣。
■觀測數據與電腦模擬顯示,具有上百萬太陽質量的恆星或能噴出氣體的巨大黑洞,可能是推動再游離化的天體。

大約138億年前,或更詳細地說是在大霹靂後約40萬年,宇宙突然陷入無盡的黑暗之中。在那一刻之前,整個宇宙是一團高溫、炙熱而翻騰不止的電漿──包含質子、中子與電子的緻密氣體雲。假如有人能在當時觀察整個宇宙,會發現它看來就像一團燦爛奪目的濃霧。

大霹靂後38萬年,宇宙經歷了難以想像的明亮,膨脹中的宇宙持續降溫、濃霧消散,直到足以形成氫原子,這個事件稱為再複合(recombination)。隨後萬物遁入黑暗之中,宇宙進入了天文學家所謂的黑暗時代。

那是名副其實的漫漫長夜。即便第一代恆星開始發光,它們最耀眼的光其波長全都落在光譜的紫外線波段,那正是剛形成的氫氣最容易吸收的光。宇宙用它最初高溫、絢爛的濃霧,換來一片淒冷的黑霧。

這片黑霧最後消褪了,但是究竟為何消褪,卻是個長期困擾天文學家的問題。這或許是由第一代恆星完成,因為在一個稱為「再游離化」(reionization)的過程中,恆星發出的強烈光線緩慢但持續地擊破氫原子。此外,再游離化所需的能量,也可能來自高溫氣體墜入巨大黑洞時產生的輻射。

毫無疑問地,要明瞭再游離化何時與如何發生的關鍵,就是找尋宇宙中最古老的天體,並梳理出它們的來源與本質。第一代恆星何時開始發光?它們的樣貌為何?個別恆星是如何聚攏組成星系,並且幾乎在每個星系的核心區域都可發現超大質量黑洞,那些星系又是如何形成黑洞?再游離化究竟是在恆星到星系、再到黑洞過程之間的哪個時刻發生?而這個過程是逐步或瞬間達成?

自1960年代起,天文物理學家便開始思考這類問題。但直到最近,天文望遠鏡與電腦模型的功能大增,才足以提供部份解答:後者模擬宇宙第一代恆星的出現與演化,而前者則蒐集大霹靂後五億年內的微弱星光證據,那個時段正是第一代星系的襁褓期。

點燃巨星

大約10多年前,天文學家相信他們已充份理解第一代恆星的起源。再複合結束後,充斥在宇宙中的氫原子隨即均勻散佈至廣大的空間中。另一方面,暗物質早已開始匯聚,形成平均質量介於10萬~100萬太陽質量之間的結構,稱為「暈」。這些暈的重力會吸入氫原子。當氣體越來越集中,溫度也越來越高,最終化為一團烈焰璀璨的火球,就形成了宇宙第一代恆星。

原則上,這些天文學家稱為第三族恆星(PopulationIII star)的第一代恆星,應該能破除氫氣的遮蔽而使宇宙再游離化,但這其實取決於這些恆星的本質。假如它們不夠明亮或活得不夠久,就無法順利達成這個過程。

這些恆星的本質與體型息息相關。10 多年前,天文學家普遍認為它們都是體型巨大的恆星,每顆恆星的質量約是太陽的100倍以上(參見42頁〈宇宙的年輕巨星〉)。這是因為當一團氣體雲受到重力而塌縮時,溫度會升高,高溫產生的輻射壓力能抵抗重力;除非恆星能排出這些熱能,否則將會嚴重阻礙氣體雲的塌縮。

第一代恆星主要由氫構成,這種元素的散熱能力相當差。(像我們太陽這種恆星,具有諸如氧與碳這類微量但極重要的元素,可幫助它們冷卻。)結果使得早期宇宙中的原恆星會持續累積氫氣,但恆星內部的高壓阻撓它形成緻密核心,以至於無法啟動核融合反應,來把周遭的氣體送回太空。於是恆星便繼續吞食越來越多的氣體,直到建構出一個鬆散的大質量核心為止。

2014 年在美國哈佛大學擔任博士後研究員的葛瑞福(Thomas Greif)表示:「但現在看起來,事情有些複雜。」這些最新的電腦模型不僅包含重力,也包括了一套方程式,可用來描述氣體塌縮時不斷增壓的氫氣所產生的效應。模擬結果顯示,塌縮的氫氣雲可形成許多不同結果:在某些狀況下,可形成上百萬太陽質量的第一代恆星;在其他狀況下,則碎裂成許多只具有數十太陽 質量的恆星。

這些巨大體型的差異意味第一代恆星的壽命長短範圍相對大,因此也影響了再游離化的發生時機。具有100太陽質量以上的巨大恆星,是天文學上放蕩不羈的搖滾巨星:它們的生活節奏快速而壽命短暫。較小的恆星消耗核燃料的速率較慢,如果恆星真的是造成再游離化的原因,代表整個過程將十分漫長、延續好幾億年。

黑洞之光

無論這些恆星的體型多大,它們在塌縮成黑洞前,都會化為超新星、壯烈結束生命。而這些黑洞或許比其前身恆星,更適合推動再游離化的形成。

黑洞貪婪地吞食周遭的氣體,當氣體墜入時,會受到強力擠壓而使溫度陡然升高到好幾百萬度。雖然這些炙熱無比的氣體最終大多墜入黑洞而消失,但有些會以噴流型態返回太空。這些噴流極為明亮,即使相隔半個宇宙都還能看見它們發出的光,我們把這些燈塔般的天體稱為類星體(quasar)。

1960~1990年代,類星體是唯一可用來探索早期宇宙的工具。起初,天文學家對於這種天體毫無頭緒。類星體就像是附近的一顆恆星,但具有巨大的紅移──它們發出的光因宇宙膨脹而變紅。那令人印象深刻的紅移顯示,類星體比任何恆星與我們之間的距離遙遠許多,也比那些恆星明亮許多。天文學家找到的第一個類星體是3C 273,它的紅移是0.16,經過換算,顯示它的光從20億年前便已出發旅行了。

普林斯頓大學的天文物理學家史特勞斯(MichaelA. Strauss)說:「沒隔多久,人們很快便發現了紅移2的類星體。」顯示它的光已旅行長達100 億年以上。1991年,施密特(Maarten Schmidt)、甘恩(James E.Gunn)與史奈德(Donald P. Schneider)在美國加州帕洛瑪天文台合作,發現了一顆紅移4.9 的類星體,這可追溯至125億年前,或大霹靂後約10億年。

不過在分析這顆紅移4.9 的類星體數據後,卻沒發現任何證據顯示中性氫吸收掉它的光。顯然宇宙在這個類星體的光抵達地球之前,便已完全再游離化。

整個1990 年代期間,未曾有人成功發現更遙遠的類星體,這並非是欠缺威力強大的觀測工具所致。早在1990 年代前期,哈伯太空望遠鏡(Hubble SpaceTelescope)與位在夏威夷茂納開亞火山上的凱克望遠鏡(Keck telescope)便已開始運作,顯著提升了天文學家探索太空的能力。反而是因為類星體實在太稀有了,它只會由最重的超大質量黑洞爆發形成。而且從我們的位置看來,除非它的噴流恰好直接正對著我們,否則根本看不到它耀眼的光。

此外,只有當黑洞活躍、可吞食氣體時,這些噴流才能存在。對大多數黑洞而言,這類活動的高峰期發生在紅移2~3,這個時期的星系平均而言具有比今天更多的氣體。如果觀測超過這個距離,類星體的數量將迅速降低。

直到2000 年時,史隆數位巡天計畫(SDSS)利用當時所能建造出最大的數位偵測器,有條不紊地搜尋一大片天空,才打破這項紀錄。加州理工學院的天文學家艾里斯(Richard Ellis)表示:「SDSS非常成功地找到許多類星體,紅移超過5.5就有40或50顆類星體。」


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