追踪宇宙第一代恒星

打开文本图片集

宇宙中最早的恒星诞生于大爆炸之后。寻找这些恒星的光芒并非易事。

几年前，阿维·勒布（Avi Loeb）和他的家人搬到了澳大利亚以南150英里的塔斯马尼亚岛上的摇篮山附近。他们的屋子里没有安装网络，也正因为如此，勒布才不用将大把时间耗费在浏览网页上。每每晚饭过后，勒布都会走出房间望一望头顶那片天空，它是多么的澄澈，不受任何城市灯光的污染。璀璨的繁星令他惊叹不已，甚至兴奋到头晕目眩——由无数灿烂恒星组成的银河横贯苍穹；而离我们最近的大型旋涡星系——仙女座星系，在天空中只是一块月亮大小的暗斑。

勒布是哈佛大学天文系主任，也是理论与计量研究所的所长。他凝视着美丽的夜空，欣赏着黑色天幕上排演的每一个景象，突然之间，对于他所研究的东西有了些许灵感。宇宙中第一代恒星和星系是如何被点亮的？它们又诞生在何时？长久埋藏在心底的研究课题或许有了明确的答案。

追寻星光

勒布今年52岁，但看上去很年轻，留着一头棕色的短发，身材结实而健壮。他并没打算成为一名天体物理学家。他在以色列出生、成长，经常在周末寻找一处僻静之所，读书、思考。勒布说：“我发现，哲学提出了几大基本问题，却从来没有解决它们。”他意识到，科学也许能给予他合适的机会来提供一些解答。

1980年，18岁的勒布有幸参与8年精英军事计划，攻读数学和物理学。他并没有学习跳伞、驾驶坦克以及参加其他军事训练，而是朝着物理学博士方向努力。他研究的目标是发明一种新型枪支，其弹丸可加速到很高的速度。这项研究为他带来了免费美国之旅，还能参与总统罗纳德·里根的战略防御计划。在访问期间，他参观了普林斯顿高等研究所等研究中心。就是在这里，如今已故的天体物理学家约翰·巴考尔（John Bahcall）授予他5年奖学金，但条件是他的研究方向要从物理学转向天体物理学。

勒布欣然接受。在1988年至1993年间，他在研究所里刻苦自学了天文学。他回忆道：“一切都必须从头开始学起，我甚至不知道太阳是怎么发光的。”在他发表了大量论文后，1993年，他来到哈佛大学担任助教，把研究的重点放在了“宇宙中的第一束光”上。在当时，这是一个非常艰深的领域，因为世界上只有少数科学家钻研这个课题。他打算考察第一代恒星的诞生，而非138亿年前宇宙的诞生，因为他想离“宇宙的本源”更近一些。正如他所说：“我们由重元素组成，这些重元素是从第一代恒星产生的，而不是宇宙大爆炸。”

此外，我们无法直接观测到宇宙大爆炸，但宇宙学家如今可以凭借望远镜以及更多先进的仪器寻找第一代恒星和星系。勒布觉得这样的研究和考古学有相似之处，我们就像在挖掘宇宙深处的古老文物：光在宇宙空间中行进的速度是有限的，我们探测遥远的光源就相当于了解宇宙的过去。因此，观测距地球130亿光年的星系（当然，现在它离我们更远，因为宇宙在膨胀）就能够看到130亿年前宇宙的模样。

让恒星诞生

20世纪90年代中期，勒布在天体物理学方面开始做出成绩，他同在校研究生佐尔坦·海曼（Zoltan Haiman）和博士安妮·索尔（Anne Thoul）一起发现了第一代恒星诞生的机制和过程。这个过程始于宇宙大爆炸后不久，那时宇宙中的物质分布不太均匀，一些区域中的物质密度比平均值高出0.001%。引力将更多的物质聚拢在这些区域，使致密的地方变得越来越致密。主要由氢原子组成的气体云开始聚集起来。

勒布和他的同事为了简化计算，假设这些气体云是对称的球体，在正常情况下，它们会坍缩形成恒星。这个过程是一种非常精妙的平衡：在引力作用下，气体云发生压缩，但当气体的体积缩小，温度上升，向外扩张的压力就增强了，这又限制了气体云进一步坍缩。气体云的中央必须要变得足够致密才能够触发核聚变反应，释放出巨大能量，恒星才可能形成。但是，如果气体云无法冷却下来以减少向外的压力，它就永远达不到那个关键的密度阈值。

勒布的团队很快就发现了气体云冷却的一种方式。当气体变得愈发致密，两个氢原子可能会聚合成一个氢分子。这些分子一开始只是气体的很小一部分，但它们能吸收气体周围的热能，并在发光的过程中释放这些热量，这样就能降低气体云的温度，为恒星形成创造有利环境。

勒布团队不停地演算着整个模型中恒星产生的过程，觉得是时候号召更多精通计算机的天文学家加入进来了。现就职于德克萨斯大学奥斯汀分校的沃尔克·布罗姆（Volker Bromm）说：“勒布把这个奇妙的物理问题带给了我们。我们和他一起利用计算机程序将这项研究进一步深化。”

多年来，布罗姆和其他科学家的计算机模拟表明，遵循勒布提出的一般路径的气体云能够产生许多大小各异的恒星。总体来说，这个过程为早期星系的形成提供了条件。

探寻气体云

带着寻找孕育第一代恒星的气体云的信念，勒布在过去十年间把大量精力用在了一个新的领域——“21厘米宇宙学”。它是射电天文学的一个分支，关注的是21厘米波长的电磁辐射波。正是凭借这项技术，天文学家证实了恒星的祖先——气体云——主要由氢原子构成。每个氢原子（由一个质子和一个电子组成）都可在两种稍微不同的状态下被发现：电子和质子同向旋转的高能状态以及电子和质子反向旋转的低能状态。当原子从高能级跃迁到低能级，会发射出一个21厘米无线电波谱线的光子。天文学家通过射电望远镜寻找宇宙中21厘米波长的发源地，就能确认遥远的富含氢原子的区域，从而追溯到第一代恒星形成的那个时代。

当时，勒布和他的哈佛同事马蒂亚斯·扎达日伽（Matias Zaldarriaga）（阿根廷天体物理学家）向其他科学家介绍21厘米宇宙学是如何更详尽地解释宇宙的，使他们对此产生极大的兴趣。这个方法让天文学家揭开了宇宙“黑暗时期”的面纱——从宇宙大爆炸到1亿年后恒星开始发光之间的那段“低迷混沌期”。

这个方法的另一项潜在回报就是能够捕捉到宇宙演化的信息。要知道，宇宙在大爆炸之后不断膨胀，不但空间在延伸，光和其他形式的电磁辐射也在延伸。现在，我们假定宇宙大爆炸后的5亿年时，一个由氢原子构成的气体云向外辐射出21厘米波长的无线电波，同时，宇宙膨胀因子是10。130年后，这些到达我们视野的无线电波也是以10为膨胀因子在延伸，我们接收到的信号变成了210厘米波长的无线电波。然而，更晚诞生的无线电波则不会拉长那么多倍，假定它们的膨胀因子是5，则它们的波长变成了105厘米。勒布和扎达日伽告诉同事，他们对宇宙的历史有了更为清晰、明确的认识。

再电离时期

如今，宇宙学家将利用新建的射电天文望远镜阵列确定第一代恒星形成的具体时间。为了理解他们的方法，让我们重温宇宙大爆炸后物质普遍由氢原子构成的炙热时期。

由于那时温度极高，辐射极强，这些原子最初是以电离的形态存在的：带负电的电子与带正电的质子剥离，留下带正电的氢离子（实际上只有质子）。宇宙诞生后的大约38万年后，物质逐渐冷却下来，电子和质子开始合并，形成一种“中性”的氢原子，即净电荷为零的基态氢原子。氢原子一直维持这个状态，直到恒星和星系开始形成。这些新生恒星除了能够产生可见光，还能辐射紫外线。紫外线将中性氢原子分离成电子和质子——氢原子又一次被电离——这被科学家称作“再电离时期”。

电离氢原子不能发射出21厘米辐射，因为这取决于电子和质子的相对旋转状态。因此，天文学家通过确认21厘米发射谱线消失来寻找再电离的氢原子——这也就是恒星之光同时被点亮的证据。以他们自己的话来说，他们的战略是要搜寻有关第一代恒星的某些效应，而非恒星本身。

勒布说，这种21厘米无线电波信号突然消失的情况并不会一次性出现在所有地方。他用瑞士奶酪来做类比：奶酪上的洞代表恒星和星系及其周围的区域，这些区域的紫外线已经把氢原子电离了，中断了21厘米无线电波信号；奶酪的实心部分则代表未接收到辐射的区域，这些区域中的中性氢原子仍然存在。

随着时间的推移，奶酪上的洞不断扩张，相互重叠在一起，最终只剩下洞，奶酪（中性氢原子）消失了。勒布说：宇宙如今正是这样的状况，氢原子全部再电离，这种状况已经持续了120多亿年。实际上，勒布认为在大爆炸后的9.5亿年间，宇宙中99.99%的区域已经发生了再电离。

在那个时期，恒星是如何诞生的？柏克莱加州大学的亚伦·帕森斯（Aaron Parsons）也对此产生了兴趣。帕森斯是南非卡鲁沙漠128天线再电离高精度望远镜阵列（PAPER）的联合首席研究员。他是这样描述他的目标的：第一代恒星产生的紫外线足以电离星系间的气体；问题是“这是何时发生的”？帕森斯也没有直接观测恒星，而是尝试捕捉21厘米信号消失的瞬间，这应该和多数氢原子发生电离的时间相一致。

帕森斯和它的同事们开始观察二维的“瑞士奶酪片”，计算着奶酪上的洞——代表再电离的范围和影响。如果这个方法获得成功，下一步要做的便是拓展高精度望远镜或建立新的阵列，提高观测技术，最终直接得到三维空间中中性氢原子的分布以及失去中性氢原子的“空洞奶酪”。这将是对整个宇宙再电离时期的一个更全面的模型。只要知道再电离被触发的时间，科学家就能够精确推断第一代恒星开始涌现的那一刻。

下一个前沿

与此同时，勒布还在钻研另一个宇宙学前沿项目，通过观测中性氢原子去探寻更早期的宇宙——恒星形成前的黑暗时期。他认为这可能是最有趣的时代，因为在这个时代中，最原始的氢开始成形，组成了能够孕育恒星和星系的气体云。

勒布是黑暗时期无线电探测（DARE）计划的研究员。这个计划将在绕月探测器上放置一根无线电天线。由于探测器位于地球电离层之上，接收到的电磁频率不会受到电离层的干扰，所以能够比如今其他天线传递更为清晰的信号。勒布在仪器的设计上做了优化，但他担心这个计划仅仅是一个想法，而且还未获得资金支持。

即使不实施DARE计划，现存的项目也已经开始搜集新的数据。哈勃太空望远镜最近就锁定了一个在大爆炸后3.8亿年诞生的星系。哈勃的继任者——韦伯太空望远镜，口径将是哈勃望远镜的三倍，接收面积是哈勃的7倍。这个6.5米口径的大镜子能够探测更暗淡更古老的星系。

勒布和哈佛大学同时也是巨型麦哲伦望远镜（GMT）计划的合作伙伴。GMT的口径是24.5米，将在智利拉斯坎帕纳斯天文台所在山顶建成。GMT将在下一个十年开展观测项目。GMT比现有的望远镜大5倍，未来它将会提高科学家搜寻第一代星系的效率。

在这期间，还有两个更为宏大的项目将要启动——夏威夷的30米口径望远镜和智利的39米口径欧洲超大望远镜。不过目前资金仍然是个问题。

这些高端的项目比过去20年的先进许多，将会给勒布的研究带来可喜的变化。对于未来数年巨量的数据，勒布已经做好充分的准备，并设计了详尽的策略和流程去分析和研究。尽管还不知道这些数据将传达什么样的信息，激发科学家的何种新发现，但勒布希望这些数据能对修正目前的第一代恒星模型有所帮助——哪怕是获得出乎预料的结论，他也会欣然接受。