「宇宙黎明」如何破曉？第一批恆星是如何形成的？
也許在過去一百年研究宇宙的過程中，最大的啟示就是我們的家會隨著時間的變化而演化。而不僅僅是在一些微不足道的方面，比如恆星在移動，氣體雲壓縮，大質量恆星在災難性的爆炸中死亡。不，在遙遠的過去，整個宇宙不止一次地改變了它的基本特徵，完全改變了它在全範圍的內部狀態。舉個例子：在霧蒙蒙的、記憶不清的過去里，曾經有一段時間沒有恆星。
在黎明前
博科園-科學科普：我們之所以知道這個簡單的事實，是因為宇宙微波背景輻射(CMB)的存在，它是一種弱而持久的輻射，浸透了整個宇宙。如果你遇到一個隨機的光子(一點光)，很有可能它來自於宇宙微波背景輻射——光占宇宙所有輻射的99.99%以上。它是宇宙誕生27萬年前遺留下來的遺迹，從炙熱、旋轉的等離子體過渡到中性湯(沒有正電荷或負電荷)。
隨著時間從右到左的流動，這張可視化圖顯示了在宇宙的黎明之後，從中性氫的薄霧中第一批恆星形成。圖片：NASA/STScI
這個轉變釋放出的白熱輻射，在138億年的時間裡，冷卻並延伸到微波中，給了我們今天可以探測到的背景光。在宇宙微波背景輻射釋放的時候，宇宙的體積只有現在的百萬分之一，溫度要高几千度，它幾乎是完全均勻的，密度差不超過10萬分之一，所以，這並不是一個恆星可以快樂存在的狀態
黑暗時代
在宇宙微波背景輻射(CMB)釋放後的數百萬年里，宇宙處於一種奇怪的狀態。持續不斷的白熱化輻射，但隨著宇宙持續其不可阻擋的膨脹，輻射很快冷卻下來。當然，暗物質也存在，它們自己也在活動。現在的中性氣體，幾乎完全是氫氣和氦氣，終於從與輻射的鬥爭中釋放出來，可以隨心所欲。它喜歡做的就是儘可能多地和自己呆在一起。幸運的是，它並不需要非常努力：在非常早期的宇宙中，微觀量子漲落擴大到密度上的微小差異，這些微小的密度差異沒有影響更大的宇宙膨脹，但它們確實影響了中性氫。
任何一個密度比平均水平略大的區域（哪怕只有很小很小的一部分）對鄰居的引力都略強一些。這種增強的引力鼓勵了更多的氣體加入進來，從而放大了引力拖曳，從而鼓勵了更多的鄰居等等。就像在家庭聚會上大聲播放的音樂，作為誘惑更多狂歡者的警笛歌曲一樣，在數百萬年的時間裡，富氣變得更富，窮氣變得更窮。通過簡單的重力作用，微小的密度差異逐漸增大，形成了第一個巨大的物質團塊，並清空了周圍的物質。
宇宙黎明破曉
在某個地方，最深處的核層堆積在壓倒一切的層上，達到了臨界溫度和密度，迫使原子核以複雜的模式結合在一起，在核聚變中點燃，並將原料轉化成氦。這個兇猛的過程也釋放了一點能量，在一瞬間，第一顆恆星誕生了。自從大爆炸的頭十幾分鐘以來，核反應首次發生在我們的宇宙中。新的光源照亮了宇宙，使曾經空無一物的空間充滿了輻射。但我們並不確定這一重大事件是何時發生的，對這個時代的觀察極其困難。
首先，巨大的宇宙距離甚至阻止了最強大的望遠鏡觀測到第一束光。更糟糕的是，早期宇宙幾乎完全是中性的，中性氣體一開始並不會發出很多光。直到幾代恆星粘合在一起形成星系，才對這個重要的時代有了些許了解。我們懷疑第一批恆星是在宇宙形成的前幾億年間形成的。不久之後，我們就直接觀測到了星系，活躍的星系核，甚至是星系團的起源——最終在宇宙中出現質量最大的結構。在他們之前的某個時候，第一批恆星必須到達，但不是太早，因為嬰兒宇宙的繁忙狀態會阻止它們的形成。
在地平線上
儘管即將問世的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將能夠非常精確地定位早期星系，提供大量關於早期宇宙的數據，但望遠鏡狹窄的視野並不能提供這個時代的全貌。科學家們希望，一些最早的星系中可能包含最早恆星的殘餘——甚至包括恆星本身——但我們必須等待觀察。另一種解開宇宙黎明的方法是通過一個令人驚訝的中性氫的怪癖。當電子和質子的量子自旋隨機翻轉時，氫發出的輻射波長非常特殊。這種輻射使我們能夠在今天的銀河系中繪製出中性氫區域，但是到宇宙黎明時代的極端距離帶來了完全不同的挑戰。
麻煩的是，自從那個早已逝去的時代以來，宇宙就一直在膨脹，這使得所有的星系間輻射都延伸到更長的波長。如今原始中性氫信號的波長約為2米，將信號牢牢地置於無線電頻帶中。而宇宙中的許多其他東西——超新星、銀河磁場、衛星——在相同頻率下發出的聲音相當大，掩蓋了宇宙早期微弱的信號。地球上有幾個任務試圖找到那個有趣的宇宙黎明信號，從現在的不和諧的聲音中挖掘出它的原始耳語，揭示第一批恆星的誕生,但現在，我們只能等著。
博科園-科學科普｜文：Paul Sutter/Space
博科園-傳遞宇宙科學之美
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