宇宙中的第一缕光线比想象中来得更迟一些,因为再电离推迟了

2016-09-02 11:02

宇宙印象 深度科普栏目第275期 在宇宙大爆炸大约38万年后,粒子间相撞不再那么频繁,光子得以自由地在空间里穿梭,宇宙终于变得“透明”起来。在如此致密的环境下,光子走不了多远就会和电子相撞,让整个宇宙看起来像一个晦涩的谜。随着宇宙不断膨胀,它开始变得寒冷而稀薄。如今,类似普朗克卫星的一系列望远镜可以在整个空域里追寻那些上古的电磁波,即所谓的宇宙微波背景辐射(CMB)。宇宙微波背景辐射广泛分布在宇宙的每一个角落,其上些许的涨落都包含了有关宇宙历史,组分和地理的大量信息。

当电子和质子结合形成氢原子时,宇宙中第一次出现了电中性的物质。在这一过程中释放的电磁波即是宇宙微波背景辐射。在那之后约几百万年,这些原子才开始组合在一起,最终形成了宇宙中第一批恒星。

这些恒星在生成后会向四周发射电磁波,将电中性的原子重新分解为构成它们的基本粒子——电子和质子。科学家称这一阶段为“再电离阶段”。除了极少偏远孤立的部分一直保持电中性至今,宇宙中大部分的物质很快就被完全的离子化了。

对遥远星系中央超大质量黑洞的观察表明,宇宙大约在9亿年时被就被完全电离了。而这一过程的起点,却一直难以确定。这已经成为了近年来天文学界热议的一个话题。普朗克计划的科学家Jan Tauber发现,宇宙微波背景辐射能告诉我们再电离阶段是何时开始的,也就是宇宙中第一颗恒星是何时诞生的。科学家们利用宇宙微波背景辐射部分极性来测量这个时间点。所谓极性是指,部分电磁波会倾向于一个特定方向的振动。

这来源于宇宙微波背景辐射的光子撞击电子,这个过程在宇宙微波背景辐射释放出来前的原始汤里是常有的。在宇宙微波背景辐射释放后,经过了再电离阶段,第一批恒星的电磁波会带着自由电子奔向茫茫宇宙,这时这些电子就会撞上宇宙微波背景辐射。

正是宇宙微波背景辐射极化上微小的涨落让我们得以了解再电离过程的影响并推断它是何时开始的。科学家发现,通过威尔金森微波各向异性探测器对再电离阶段开始时间的估算来看,宇宙第一代恒星释放的第一缕光线比理论上要迟一些。

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