天文学家发现宇宙最古老恒星科学家们可能首次探测到了宇宙最原始

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科学家们可能首次探测到了宇宙最原始时期的“黎明之光”。研究者们在3月1日出版的《自然》杂志上报道称宇宙最早的一批恒星诞生于大爆炸后约1.8亿年。“宇宙的黎明”在环绕恒星周围的氢气中留下了蛛丝马迹，被无线电天线设备所探测到。

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宇宙最早期的恒星是蓝色的，它们发出的紫外线使氢原子吸收了特定波长的宇宙微波背景辐射，这一现象发出的信号如今被科学家探测到

“这是一个非常激动人心的发现，我们首次有机会一睹宇宙那段原始时期的模样。”来自南非的宇宙观测学家H. Cynthia Chiang说。他本人并没有参与这项研究。

能用天文望远镜直接观测到的最古老的恒星相比之下要晚好几亿年。这次使用的新的观测方法开发研究了大约十年，它的探测对象是充满了早期宇宙的原始氢气气体。这个方法的成功应用使未来宇宙学的研究充满希望，更多前沿的新技术和研究方法将会揭示宇宙最初那段无法被直接观测时期的样子。

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大爆炸理论中的宇宙演变示意图。大爆炸发生于约138亿年前

不过专家表示，目前的研究结果还有待进一步的确认，因为实际结果与预期并没有完全一致，尤其是特定频率电磁波的振幅是预期的两倍多。

这个意料之外的观测结果意味着氢气比预想中的要更冷。如果结果被最终确认，可能暗示着一种新的现象在早期的原始宇宙里发生了。以色列特拉维夫大学的理论天体物理学家Rennan Barkana在《自然》杂志上阐述了其中一种可能性，那就是氢原子和暗物质粒子之间的一种新的相互作用形式。暗物质是宇宙中最神秘莫测的物质，它无法被直接观测或探测到，却占据了整个宇宙绝大部分的质量。

“如果这种解释没错的话，它很可能值得两个诺贝尔物理学奖。”哈佛大学的理论天体物理学家Avi Loeb说。一个奖给“宇宙黎明”的探测，另一个给暗物质产生的影响。不过Loeb同样对探测结果持保留意见：“信号与我们预期不符的事实让我多少有些紧张。”

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普林斯顿高等研究所的理论宇宙学家 Matias Zaldarriaga表示，为了增加科学家们的信心，本次探测的结果需要进行其他实验来进行进一步的确认。另外几项探测信号的实验已经开始同步进行。

亚利桑那州立大学的实验宇宙学家Judd Bowman和同事们提炼了他们对于最早的恒星光线作用于氢气上的证据：“我们没有直接看到星光，但我们探测到了它对宇宙环境的间接作用。”他们所在的宇宙再电离时期探测实验项目（EDGES）追踪到了古老恒星的痕迹。

在宇宙早期的历史中，最早诞生一批恒星发出的光线会穿过稠密的氢气，在这一过程中，紫外线会与氢原子相互作用，从而改变不同能量级中氢原子所占的比例。这种改变会导致氢气气体在宇宙微波背景辐射中吸收一种特定波长的光线，约21厘米。研究者们探测到了该波长光线的显著减少，从而得出了现在的结论。

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宇宙微波背景辐射

随着时间的流逝，在被地球的无线电收到前，这种光线的波长会因为宇宙的膨胀效应被拉长至几米。通过测量伸长量，研究者们就能精确地描述最早的一批恒星是大爆炸都多少年诞生的。

不过，想要探测到这种微弱的信号变化具有很大的挑战性，银河系发出的无线电波都在高得多的能级，同时还要避免地球上如调频广播信号的干扰。所以Bowman和同事们选择远离人类文明，在澳大利亚西部内陆荒无人烟的默奇森射电天文台进行实验。

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科学家们希望利用相似的方法，更先进的技术和设备进一步确定这些恒星具体是在宇宙的什么地方形成的，并揭开宇宙“幼年”历史中其他时期的秘密。“我们向着一个激动人心的全新领域迈出了第一步。” Bowman说。

编译：吴桐

参考文献

J.D. Bowman et al. An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum. Nature. Vol. 555, March 1, 2018, p. 67. doi: 10.1038/nature25792.

R. Barkana. Possible interaction between baryons and dark-matter particles revealed by the first stars. Nature. Vol. 555, March 1, 2018, p. 71. doi: 10.1038/nature25791.