作者黄湘红段跃初

在天文学漫长的探索历程中，有一个神秘的阶段始终吸引着科学家们的目光——宇宙黎明。这是宇宙从黑暗走向光明，开始形成我们如今所见模样的关键时期。虽然我们无法直接目睹这段历史，但新一代的天文学家们正凭借不断革新的技术和持之以恒的探索精神，试图揭开它的神秘面纱。

2024年2月，对科罗拉多大学博尔德分校荣誉退休教授杰克·伯恩斯（Jack Burns）来说，是意义非凡的时刻。彼时，他正在毛伊岛的海滩度假，庆祝前一年成功战胜癌症。而他的思绪，却紧紧牵挂着远在千里之外的月球。伯恩斯曾参与设计的一个项目——“月球表面光电子鞘层无线电波观测”（ROLSES）实验，搭载在直觉机器公司（Intuitive Machines）的“奥德修斯”号着陆器上，正准备开启人类在月球进行射电天文观测的首次尝试。由于轨道动力学和发射日程安排的限制，伯恩斯无法更改早已计划好的家庭旅行，只能通过直播，在海滩上聆听着任务控制中心的消息。当听到“奥德修斯”号成功着陆月球表面的瞬间，他满心欢喜，然而紧接着，着陆器却意外倾倒。幸运的是，ROLSES实验仍在25分钟内采集到了宝贵的数据。伯恩斯激动地在视频通话中挥舞着拳头说道：“我们成功展开了天线并获取了数据，从这一刻起，月球射电天文学的时代正式开启！”尽管这次实验短暂且有些许遗憾，但对伯恩斯而言，这无疑是他职业生涯中的高光时刻，也为新一代射电天文学宇宙学家的研究奠定了基础。

这些珍贵的几分钟数据，蕴含着巨大的潜力。科学家们通过分析它们，未来有望设计出一座完整的月球射电天文台。这座天文台将成为人类观测宇宙的新窗口，帮助我们穿透层层光线，回溯到宇宙最初的光芒诞生之时——那个远在星系、恒星，甚至分子形成之前的“黑暗时代”。在黑暗时代，宇宙中只有围绕氢原子旋转的电子，一片寂静与黑暗。而宇宙黎明的到来，则标志着黑暗时代的终结，宇宙开始逐渐演变成我们熟悉的模样。虽然我们无法直接看到这段历史，但通过探测那个时代氢原子发出的微弱长波辐射，或许能够拼凑出宇宙演化的详细图景，解开它为何会呈现出如今面貌的谜团。

ROLSES实验只是探索宇宙黎明征程中的先行者之一。美国国家航空航天局（NASA）资助的“月球表面电磁实验”计划于2026年搭乘另一艘商业月球着陆器前往月球，同样致力于通过低频射电天文学研究揭开宇宙早期的奥秘。此外，还有众多在地球上最偏远地区开展的实验项目，它们与月球上的观测任务一起，共同聚焦于宇宙黑暗时代和黎明时期的研究。德国海德堡大学的青年研究员莎拉·博斯曼（Sarah Bosman）专注于宇宙黎明研究，她坦言：“在星系形成之前的那段时间，目前我们几乎束手无策。但随着新一代实验项目的启动，一切都将改变。如今，大量资金投入到相关观测项目中，而这个研究方向，我们已经探讨了50年之久。”

宇宙的故事始于那场惊天动地的大爆炸。在爆炸后的短短几秒内，宇宙迅速冷却，质子、中子、电子和光子等基本粒子开始形成；几分钟后，这些基本粒子相互结合，构成了最初的氢核和氦核。大约38万年后，宇宙进一步冷却，质子和中子捕获自由电子，形成了第一批电中性原子。此时，光子不再与自由电子频繁碰撞，能够在宇宙中自由传播，这一过程被称为“复合”（尽管实际上这是原子各部分首次真正结合），并释放出了弥漫于整个宇宙空间的宇宙微波背景（CMB）辐射。欧洲空间局2009年发射的普朗克卫星，为我们绘制出了最详细的宇宙微波背景辐射地图。

在宇宙微波背景辐射的辉光中，宇宙持续充满中性原子。由于没有恒星照亮气体，黑暗又笼罩了宇宙长达5000万年。氢原子吸收了大爆炸残留的所有光子，使宇宙仿佛被浓雾笼罩。在此期间，不可见的暗物质逐渐聚集，引力则悄然引导物质构建起宇宙的框架。同时，物质密度的随机波动，也在为宇宙的未来发展勾勒蓝图。

大约在大爆炸后5000万至1亿年间，引力将氢原子聚集在一起，点燃了宇宙中第一颗恒星。恒星发出的耀眼紫外线为中性气体注入能量，使电子脱离原子，原子核带上正电荷，黑暗时代就此终结，宇宙黎明拉开帷幕。在黎明的某个阶段，恒星的光芒足够强烈，彻底阻止了氢核与电子重新结合成中性原子，宇宙再次变得透明，这一时期被称为“再电离时代”。随后，在这个时期的某个时刻（具体时间和过程尚不明确），引力将第一批恒星汇聚成第一批星系和星系团。如今，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的红外仪器捕捉到了这些早期星系发出的光线，结果令人惊讶——早期宇宙比人们预想的要明亮得多，这些古老而明亮的天体，或许能为我们揭示再电离时代的奥秘。

哥本哈根大学的天体物理学家夏洛特·梅森（Charlotte Mason）指出：“通过普朗克卫星的数据，我们了解了大爆炸后38万年时宇宙的物质密度情况；借助斯隆数字巡天、暗能量巡天、詹姆斯·韦伯太空望远镜等项目，我们也掌握了后期众多星系的信息。但在这两个阶段之间，我们几乎一无所知。”宇宙的起源可以通过引力和粒子物理学进行部分解释，但我们尚未明晰的是，最初的星光究竟如何改变了整个宇宙的发展轨迹。

关于宇宙黎明和再电离时代，科学家们有着诸多未解之谜：星系形成时，恒星的诞生是否呈现出剧烈爆发的状态？宇宙是否存在一个“迪斯科再电离”时期，即不断在明亮与黑暗之间循环？再电离过程发生了一次还是两次？它是在宇宙的某些局部区域率先发生，还是瞬间照亮了整个宇宙？美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家桑吉塔·马尔霍特拉（Sangeeta Malhotra）感叹道：“我们对星系形成的了解实在太少了。作为一名观测者，我的信条是，只要是物理规律允许发生的事情，就一定会发生。”

由于宇宙在加速膨胀，天文学家可以根据天体的距离推断其所处的时间。天体光线因宇宙膨胀被拉伸为更长波长的现象，即“红移”，能够揭示它们的年龄。然而，当科学家试图观测更久远的过去时，却遇到了诸多矛盾。詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测结果在许多方面与理论物理学预测不符。例如，关于宇宙黑暗时代、再电离时代和宇宙黎明的时间线，一直存在争议。2022年，博斯曼及其同事通过对67个类星体（中心拥有明亮超大质量黑洞的星系）的研究，确定宇宙黎明结束（即再电离完成）于大爆炸后11亿年，比此前认为的时间晚了2亿年。但詹姆斯·韦伯太空望远镜2024年5月的观测结果显示，在宇宙黎明结束前7.5亿年，就已经存在极其明亮且巨大的星系。如果这些星系的光芒足以使所有中性气体电离，那为何再电离过程花费了如此长的时间？目前已知最古老的星系“JADES-GS-z14-0”，其红移值为14.18，这意味着我们看到的是它在大爆炸后仅3亿年时的模样。当时宇宙年龄仅为现在的2%，而距离再电离时代结束还有数亿年。博斯曼表示：“这些明亮的星系本应更早完成再电离过程。”如今，研究人员不确定是恒星亮度的测量出现问题，还是现有理论存在缺陷。若为后者，则需要构建新的模型来解释这些超亮星系的存在。未来几年，随着詹姆斯·韦伯太空望远镜更多数据的公布，可能会引发更多疑问。

为了解答这些问题，科学家们采用了多种研究方法。研究星系是其中一条重要途径，同时，研究星系形成之前的中性氢气也至关重要。由于中性氢气存在于黑暗时代，无法直接观测，但可以通过间接方式绘制其分布。马尔霍特拉一直在研究发射特定波长光线的星系，该波长是氢原子复合时的特征波长，在星系光谱中表现为莱曼 - 阿尔法谱线，这类星系被称为莱曼 - 阿尔法发射体。通过对这些星系的观测，有望构建出宇宙黎明时期的地图，而计划于2027年5月发射的NASA南希·格雷斯·罗曼太空望远镜，将为此提供关键数据。

与此同时，地球上正在规划的10个实验项目以及至少2个月球观测计划，也将加入对宇宙黑暗时代的研究。这些实验需要在远离人类无线电干扰的极端环境中开展，如湖泊中央的漂浮平台、北极地区或月球表面。麦吉尔大学的实验宇宙学家辛西娅·蒋（Cynthia Chiang）致力于研发小型射电天文台，其大小与餐桌相近，能够捕捉到宇宙中微弱的信号。她目前的项目将天线部署在加拿大北极地区，这里几乎没有广播信号和其他无线电污染。与用于成像的大型射电望远镜不同，她的设备更像是汽车收音机的调谐器，可以同时扫描所有频段。ROLSES实验也有着类似的目标，对月球射电环境的研究，有助于天文学家了解自然和人为活动对未来更精密观测的干扰情况，从而更好地揭开宇宙早期的历史。

在探寻宇宙黎明的过程中，天文学家们巧妙利用了原子物理学的特性。在宇宙充满中性氢的黑暗时代，虽然氢原子无法与光子相互作用，导致宇宙不透明，但氢原子自身会自然发光。氢原子中电子的自旋方向略微倾向于与质子自旋方向垂直，当两者自旋方向发生翻转时，原子能量会发生微小变化，并以发射光子的形式释放能量，该光子波长为21厘米。天文学家通过搜索对应21厘米波长的无线电信号，试图捕捉这一微妙的转变。由于宇宙的浩瀚和古老，虽然这种微弱的信号难以捕捉，但仍有许多地方值得探寻。随着宇宙的膨胀，21厘米波长的光子在传播过程中会被拉伸，通过测量其到达地球或月球时的波长，能够推断出光线产生的时间。如果能够成功绘制出这种自旋翻转产生的光线分布，就如同制作一部宇宙从诞生到现在的延时电影，帮助我们深入了解宇宙早期的演化过程。

尽管目前尚未有实验能够确凿地观测到宇宙黑暗时代，但相关研究从未停止。2018年，“探测再电离时代全球特征实验”项目曾宣称检测到了来自大爆炸后1.8亿年的21厘米氢谱线信号，暗示早期宇宙中的氢气温度可能比预期更低，或者背景辐射比预期更强。不过，后续实验并未重现这一结果。如今，全球的射电天文学家们正积极筹备新一轮的搜索工作。低频阵列、氢再电离阵列、默奇森宽场阵列以及大孔径黑暗时代探测实验等项目，已经开始勾勒出21厘米信号地图的初步轮廓。正在澳大利亚和南非建设的平方公里阵列望远镜，未来将能够扫描整个宇宙，寻找21厘米信号。然而，马尔霍特拉提醒道，要从宇宙的噪声中分离出电子自旋产生的微弱信号，仍面临诸多挑战，“我们与光子之间的‘噪声屏障’亟待突破，这类天文学研究还有许多未知等待我们去探索。”

在众多探索方案中，前往月球进行观测被视为了解宇宙黑暗时代的最大希望。月球背面能够屏蔽来自地球的强烈无线电干扰，为观测提供了近乎完美的环境。从月球表面，天文学家有望绘制出宇宙早期中性氢的精确地图，通过测量氢信号的深度和宽度，揭示第一批恒星的特性，包括质量大小、紫外线辐射强度、温度等。虽然我们可能永远无法直接观测到这些古老的恒星，但能够了解它们所处的环境，进而推测其模样。伯恩斯满怀憧憬地说：“仅仅通过光谱分析，我们就能够推断出宇宙黎明时期的诸多特征。”

计划于2026年发射的“月球表面电磁实验”（LuSEE-Night）也将加入这场探索之旅。该航天器由NASA和美国能源部联合打造，将搭乘萤火虫航天公司的“蓝幽灵”商业着陆器前往月球。一旦在月球背面就位，它将利用巨大的电池在寒冷的月夜中维持运行，而月夜正是聆听远古电子“遥远舞曲”的绝佳时机。如果任务成功，这将成为首个月球宇宙学实验，但伯恩斯坚信，它绝不会是最后一个。他设想在月球背面建造一座全尺寸的宇宙学望远镜，甚至提出利用月球土壤就地取材的方案。例如“FarView”计划，提议从月尘中提取金属和氧等元素，在月球上直接制造零部件，构建联网天线。

对于像伯恩斯这样的资深天文学家而言，这些研究进展凝聚了他们数十年的心血与期待。早在1984年，伯恩斯就在休斯敦的一次月球与行星科学会议上首次提出了建造月球射电望远镜的设想，“我从未想过，从构想到如今的初步尝试，竟然花费了40年时间。能在有生之年见证这一切，我感到无比幸运。”同时，他也欣慰地看到新一代年轻科学家们接过探索的接力棒，“这仅仅是开始，我们将不断获取线索、收集数据、改进仪器。在未来几年，科学家们将开展更多月球任务，积累经验，最终实现建造理想观测设备的目标。或许不是我，但总会有人成功解开宇宙黎明的奥秘。看到这些充满热情的年轻学生、博士后和新晋教授们投身于这项事业，我感到无比激动，他们将引领我们在宇宙探索的道路上不断前行。”

在这场跨越时空的观测之旅中，天文学家们正一步一个脚印，向着揭开宇宙黎明的真相不断迈进。每一次观测、每一项实验，都像是拼图中的一块，虽然目前尚未完整，但随着研究的深入，我们终将拼凑出宇宙早期演化的壮丽图景，领略宇宙诞生之初的神奇与奥秘。

参考文献：

1. Boyle, R. “Cosmic Dawn.” Scientific American, Vol. 332, No. 6 (June 2025), p. 32. doi:10.1038/scientificamerican062025-2XYbkGtlhN3Y7oIwlSSGdI

2. Boyle, R. “The New Race to the Moon.” Scientific American, August 2022.

来源: 科普文讯