宇宙从诞生至今，经历了许许多多个阶段。如果回溯宇宙历史，越靠近大爆炸的时刻，我们对宇宙的了解就越有限。
目前普遍认为，在大爆炸后的38万年里，宇宙都是炽热而致密的电离等离子体。在此之后，宇宙逐渐冷却，足以让质子和电子结合，形成中性氢原子。这是一段“黑暗时代”，当时的宇宙没有任何光源，充斥着中性气体。
大约一亿年后，第一代恒星和星系形成，它们散发出强烈的紫外线，使这些气体再度变回电离的等离子态。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”。
大爆炸后的38万年至大约一亿年期间，宇宙是完全黑暗的。之后，第一代恒星的出现，散发着耀眼的光芒，开启了宇宙黎明。（图／Carnegie Institution for Science, MPIA）
今天，散布在星系之间的所有氢气，也就是那些星系际气体，都已经是完全电离的。但关于这段时期的许多细节仍然是空白，我们甚至不清楚，它究竟发生于何时。
近日，一组科学家团队在研究了67个类星体的辐射特征后，将中性氢再电离时代的结束时间确定为大爆炸后约11亿年。论文已发表在《皇家天文学会月刊》上。
以类星体作为宇宙探针
来自可观测宇宙中最古老的恒星和星系的光要经过一百多亿年的旅行才能到达地球，我们目前的技术暂时还无法直接观测到它们，因为它们实在是太微弱了。
为了研究宇宙是何时被完全电离的，科学家只有通过间接的手段。不同研究采用了不同的方法，其中一种是测量中性氢在21厘米光谱线的发射。
氢原子可以在两个不同能级间转换。（图／原理）
新团队则选择分析了从强背景源收到的光。他们利用了67颗类星体，也就是围绕着遥远的活跃星系中心大质量黑洞的明亮的热气体盘。观测这些类星体的高质量光谱，天文学家可以发现光似乎“消失”的图谱，也就是所谓的吸收线。从光源到望远镜的过程中，中性氢吸收了这部分光线。
这种方法需要观测相当于121.6纳米波长的光谱线。这个波长属于紫外范围，是最强的氢光谱线。但是，宇宙膨胀会让类星体的光谱向着更长的波长移动，光走得越远，波长就越长，换句话说，它就变得越“红”。因此，观测到的紫外吸收线的红移，就能转化成与地球之间的距离。在这项研究中，当紫外线到达望远镜时，这种效应甚至已经将它移到了红外范围。
根据中性氢气和电离氢气之间的比例，吸收会达到一定的程度。当光所遇到的是一片具有高比例电离气体的区域时，它便无法有效地吸收紫外辐射。这种特征正是团队所寻找的。
来自早期宇宙遥远类星体的光辉穿过那些在再电离时代被部分电离的气体，星系之间的中性氢气会留下吸收特征。（图／MPIA graphics depaerment）
类星体的光在它的旅途中会穿过许多不同的氢云，每一片氢云都会在紫外范围内留下它微小的红移印记。理论上来说，分析每条红移线的吸收和传输变化，就可以得出氢气完全电离的时间或者距离。
用模型辅助分析
然而，对科学家来说不幸的是，真实的情况要复杂得多。
自从再电离结束后，只有星系际空间是完全电离的。在宇宙中存在着一个连接星系和星系团的部分中性物质构成的网络，被称为“宇宙网”。宇宙网中的氢气是中性区域，同样会在类星体的光中留下它们的痕迹。
为了过滤这些影响，团队应用了一个物理模型，它重建了在星系际气体已经被完全电离后所测量到的变化。
当他们将模型与结果进行比较时，发现了一处波长上的偏差，121.6纳米线出现了5.3倍的偏移，相当于宇宙年龄的11亿岁。
这一转变所暗示的时间，正是测量的类星体光的变化与来自宇宙网的涨落不一致之时。也就是说，那是中性氢气一定存在于星系际空间并随后被电离的最近的时期。那就是“宇宙黎明”的结束。
光明的未来
先前许多人推测，再电离时代结束于大约宇宙9亿岁时，但这项研究告诉我们，这个过程结束得似乎要更晚一些。好消息是，它结束于一个更容易被当代观测设施发现的宇宙时代。
虽然相对于宇宙138亿年的历史而言，这种时间修正显得微不足道，但对于早期的宇宙演化来说，几亿年的差距可能就会带来电离源性质和寿命的不同。
这个新的数据集提供了一个重要基准，在未来的研究中，宇宙最初十亿年的数值模拟将在这个基准上得到检验。这也能更好地帮助科学家确定电离源，也就是第一代恒星的特征。
#创作团队：
撰文：Gaviota
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.mpia.de/news/science/2022-10-cosmicdawn
#图片来源：
封面图：Carnegie Institution for Science / MPIA (annotations)
首图：MPIA graphics department
发表于 2022-6-12 19:29
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