宇宙大爆炸10亿年内，到底发生了什么？为何人类现在观测不到？大约138亿年前

大约138亿年前，我们的宇宙通过大爆炸诞生，它经历了漫长的岁月，演化成了今天的模样。

文章图片
刚诞生的宇宙，并不像今天这样充满了各种各样的天体。在刚诞生的前10亿年时间里，宇宙一直处于各种各样诡异的状态。
大爆炸的初期，整个宇宙的温度高得惊人，以至于电子和质子都无法结合成原子。一直到了38万年后，宇宙温度才低到原子可以形成。这个时候，光子才终于有机会自由传播，形成了宇宙中的第一道光，也就是今天的宇宙微波背景辐射。
可是，这些光线并没有自由太久，宇宙就再一次黯淡了下来，这就是宇宙的黑暗时期。这是因为，当时所有的质子和电子都结合成了稳定的中性氢原子，这些原子不带电，无法相互吸引，所以就稳定地分布在宇宙空间中，也不会产生新的光子。

文章图片
直到后来，因为极少数不安分的原子出现了电离，正负电荷相互吸引，形成了局部物质的聚集，从而通过引力吸收更多物质，形成了宇宙中最早的恒星和星系。第一批恒星非常巨大，它们的强烈辐射引起了更多的电离现象，最终波及到整个宇宙。宇宙各个角落的氢原子都可能被电离、形成新的恒星，整个宇宙被点亮，这就是宇宙的再电离时期。
根据目前的研究，天文学家认为，在大爆炸的5000万年后，宇宙的再电离时期开启。大爆炸的1.5亿年后，第一批恒星的紫外线让宇宙各个角落的中性氢都得到了电离的机会，整个电磁辐射的光谱也终于可以自由移动。一直到10亿年后，也就是距今128亿年前，再电离时期正式结束。

文章图片
别看我们描述得好像很精细，但对于宇宙的黑暗时代和再电离期，天文学家们还有很多不了解的地方。而且，人类目前的观测设备对于这段历史都有些无力，这就更让天文学家对这段时期的历史无从了解了。
要知道，我们对任何目标的观测，都是基于电磁波的探测。然而，从黑暗时代到很大一部分的再电离期，电磁波都难以在宇宙中穿行，这给人类的观测带来了更大的困难。尽管引力波也是一种研究方式，但人类的引力波研究才刚刚起步，很难破解巨大的宇宙谜题。

文章图片
天文学家也不是完全没有办法，虽然不能在实验室里重现这段历史，但凭借着计算机的强大计算力，他们还是可以进行模拟的。美国的一支科学团队最近利用一台名叫SuperMUC-NG的超级计算机对宇宙的再电离期进行了模拟，值得一提的是，这台计算机是由中国的联想公司打造的，是世界上最强大的超级计算机之一。
研究人员从宇宙大爆炸后40万年的时间开始，在3亿光年的尺度下对宇宙进行模拟，一直模拟到大爆炸10亿年后，他们将这段时期命名为Thesan ，这是伊特鲁里亚的神话中黎明女神的名字，这也符合人们将这段时期称作“宇宙的黎明”的习惯。

文章图片
他们利用这台强大的超级计算机，进行了相当于3000万个CPU小时的模拟，这也是迄今为止最详细的一次对宇宙再电离时期的建模。他们从宇宙中第一个星系的形成开始模拟，捕捉到了比模拟范围小100万倍的物理学细节。
并且，他们还使用了新的算法，重点关注了再电离时期宇宙中的光子与宇宙中的气体及尘埃的相互作用，这个过程可以说是非常复杂的。通过这次模拟，研究人员对早期的星系形成及其与宇宙气体之间相互作用的方式有了全新的了解。通过本次模拟，科学家们展示了我们的早期宇宙是如何随着光线的渗入而变化的。

文章图片
来自麻省理工学院科维理天文与天体物理研究所的物理学家AaronSmith做了一个比喻：“这就有点像是制冰盒里的水，当你把它放到冰箱里的时候，的确不会马上结冰；但过一会之后，它的边缘就会开始冻结，并逐渐蔓延到内部。这和早期宇宙中的情况是完全一样的，在一个电中性、黑暗的宇宙中，从第一批星系中开始出现光亮，于是它就被点亮并电离了。 ”