天文太空

宇宙的黑暗年代

宇宙嬰兒時期的相簿中,有一大段的空白頁,天文學家正在探索那段不為人知的過去。

撰文/羅布(Abraham Loeb)
翻譯/李沃龍

天文太空

宇宙的黑暗年代

宇宙嬰兒時期的相簿中,有一大段的空白頁,天文學家正在探索那段不為人知的過去。

撰文/羅布(Abraham Loeb)
翻譯/李沃龍

大霹靂膨脹開始。

當我抬頭仰望夜空,總是質疑為何人類特別專注於與自己相關的世間俗事。事實上,宇宙中充滿了更多比凡間的人事興替還有趣的事物。身為一個天文物理學家,我有幸以思索宇宙事物為生,而此工作也導正了我的價值觀。因此,我才可以不受某些俗務的干擾困惑。例如每個人的生死大事,凡人皆有死,但當我綜觀宇宙整體,它給了我一種長壽的無垠遐想。由於這個寬廣的大圖像,我因而不是那麼在乎自己的大限之期。

探究這個世界的某些基本問題,是宇宙學家職責所在。過去數百年來,人們嘗試以哲學思維來尋求解決之道。而現在,我們以有系統的觀測與計量的方法論做為依據,來從事研究。我們在上個世紀最偉大的勝利,大概就是發展出有大量觀測數據支持的宇宙模型。然而有時候,我們的社會似乎不太能夠體認這個模型的價值何在。當我每天習慣性地打開早報時,入目所見的常是人們為了邊境、感情與權利等問題而產生的衝突。今天的新聞往往在數日之後便為人所遺忘。但當我們翻開像《聖經》這種歷久彌新的經典古籍時,首入眼簾的起始章節究竟都說了些什麼呢?那往往是一段關於宇宙的成份(光、星辰、生命等)如何被製造出來的討論。雖然人們常不由自主被俗務所羈絆,但仍對整個大圖像感到好奇。身為宇宙的子民,我們本能地想要了解第一道光源從所何來、生命如何興起、在廣闊的空間中,是否還有像人類這樣的智慧生命存在?21世紀的天文學家正處在一個特殊的位置,準備回答這一類的大哉問。

我們窺看過去的能力,讓現代宇宙學成為以觀測為依據的科學。當你望著一公尺外的鏡子所反映出來的身影時,你其實看到的是六奈秒前的自己,因為光線需要花點時間往返於你和鏡子之間。同樣的,宇宙學家並不需要猜測宇宙如何演化,我們可以用望遠鏡看到它過往的歷史。從統計上來說,宇宙在各方向上看起來都相同,因此我們所看見數十億光年之外的遠處景象,應可代表我們自身所處的這塊空間在數十億年前的相貌。

觀測宇宙學的終極目標,是建構宇宙的完整歷史,對於宇宙最早由次原子粒子所構成的無形氣體,提供清晰連貫的圖像。我們已擁有宇宙在大霹靂40萬年後光景的「快照」:宇宙微波背景輻射,與大霹靂10億年後星系個體的影像。再過10年,美國航太總署(NASA)打算發射詹姆斯˙韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST),它應能夠找到理論學家所預測,在宇宙只有幾億歲時就形成的第一代星系。

即便如此,宇宙的歷史還是有個巨大的斷層。宇宙在釋放出微波背景與第一道星光之間,看起來黯淡無光,而微波背景也無法反映出物質的分佈。這聽起來像是一段了無生氣的陰鬱時光,也像是在大霹靂與如今活躍的宇宙間,插入了一段乏味的間奏曲。不過,在黑暗期裡其實發生了許多事情:太初宇宙就像一鍋滾燙的湯,而後因膨脹冷卻,逐步演化成我們現在所見豐富多彩的天體大觀園。在如墨水般漆黑的世界裡,隱藏的重力暗暗四處伸展,聚集著宇宙萬物。

天文學家所面對的狀況,很類似在某個人的相簿中收藏著他出生前的第一幅超音波影像,以及一些10多歲青少年時期與成人之後的相片。如果你認為從這些照片,便可推測在沒有相片的斷層時期發生了些什麼事情,那就大錯特錯了。單純地把胚胎放大或把成人縮小,並不能反映出此人在童稚時期的真實面貌。同樣的道理也適用於星系,它們並不遵循在微波背景中,初始物質結塊成團之後順勢發展的直接道路。觀測結果告訴我們,在黑暗期裡,宇宙經歷過一段曲折的變遷過程。

天文學家正在找尋宇宙相簿中失落的頁章,以揭示宇宙在嬰兒時期的演化,以及它如何產生用來建構像銀河系這種星系的基礎材料。10年前我開始從事這項工作時,只有少數研究者對此題目感興趣。但是現在,大部份的觀測計畫都指向這個目標。而且,在接下來的10年裡,它必定成為宇宙學中最熱門的新領域。