宇宙在产生第一批星系时是怎样的?

清幽宁静


按照现在的大爆炸宇宙模型,我们的宇宙已经存在了138亿年了,从一个无限致密的奇点演变成今天的世界。从简单的氢原子到一个个星球,在到亿万个星系。既然宇宙有一个开始,那么最早形成的那一批星系又是什么样的?

按照大爆炸理论,早期的宇宙是经历过近一亿年的“黑暗时期”,因为在宇宙的诞生开始的那段时间,只有能量,物质还没有从能量中完全转换出来,在大爆炸后的10^-35到10^-33秒,宇宙处于一个爆胀的阶段,空间膨胀扩张的速度远远超过光速,在这极为短暂的时间内,宇宙的体积(空间)从一个原子大小迅速膨胀到约银河系那样的尺度,而宇宙在暴涨期的温度约为10^27度。在这个时期,引力与强相互作用力已经分离出来,但宇宙中的物质只有夸克、轻子等,质子都还没有形成。直到大爆炸后的0.01秒,宇宙的温度冷却到约1000亿度,质子出现了,但质子与中子仅占全部物质的10亿分之一,剩下的绝大多数是光子、电子与中微子。虽然光子已经出现了,但宇宙中还没有光,依然是一片黑暗,因为此时的光子还被引力束缚在这些原初物质中,无法逃逸到物质之外的空间中。

随着宇宙的继续膨胀,宇宙的温度也在持续冷却,大爆炸之后的一秒,宇宙的温度下降到约100亿度,10秒后降至30亿度,在这个时期,氢、氦等原子核开始形成。在最早期的几分钟内宇宙是处于一个以光子为主的热平衡状态,这个时的宇宙对光子是不透明的,光子不断的被物质粒子吸收和发射,不断的湮灭和产生,没有长距离的传播。这种状态大约持续了38万年,直到宇宙的温度降低到大约3000度,电子才与原子核复合形成稳定的中性原子,这时的宇宙对光子才慢慢变为“透明”的状态,宇宙中第一束光开始了它在宇宙空间的旅行。而在这之前的宇宙被称为“暗黑纪元”(dark age)。

有了光子与中性原子,虽然这时的宇宙主要成分是气态物质(主要是氢),但在引力的作用下逐渐凝聚成密度较高的气体云,在这最初的气体云中,形成了最早的一批恒星团,星光开始照亮宇宙,这个过程大约经历了一亿年。

但因为这最早一批恒星的质量都很大,所以寿命大都很短,只有数百万到数千万年,因此在第一代恒星诞生不久就触发了新一代恒星的形成,这时的恒星团的规模还不足以形成类似银河系这样的星系,因为这无数的恒星团在引力的作用下相互聚集,融合直至形成大型的星系以及星系群,需要更长的时间尺度,大约经过了几千万年,宇宙中的第一批星系才逐渐形成。那么我们是否能够找到这第一批星系呢?

目前人类的探测能力还不足以观测到哪最早诞生的星系,实际上,我们今天看到的千万亿个星系都始于那138亿年前的大爆炸,因此所有的星系必定都有一个“婴儿期”,这个时期的星系又小又暗,并且这个时期整个宇宙中的恒星数量还很少(大多数物质还是气态氢云的状态),宇宙中充斥着暗物质与暗能量,所以宇宙中没有足够的恒星电离星际空间中的那些中性原子,这就意味着来自第一批恒星与星系发出的光会被这些氢云中的原子所吸收,那时的宇宙对于现在的我们来说依然是不透明的。直到新的恒星与星系不断的产生,宇宙中充满了足够强且持续不断的紫外线等高能射线把电子从原子中电离释放出来,我们才有可能观测到。

目前,人类发现的最古老的星系是GN-z11(又称婴儿星系),这是哈勃空间望远镜在2016年发现的,这个星系距离我们有134亿光年,也就是说,今天我们看到的星系GN-z11发出的光可以追溯到宇宙大爆炸之后的4亿年,我们现在看到这个星系的样子是在它刚形成不久以后年轻星系的样子,这是个很小的星系,质量只有约10亿个太阳质量(只有银河系规模的1%左右),虽然GN-z11很小,但是它是它成长的很快,或者应该理解为它过去成长的很快,其孕育并形成恒星的速度要比我们现在的银河系快约20倍,是一个充满“升级与活力”的星系。

实际上,要找到宇宙中第一批星系几乎是不可能的,至少哈勃望远镜是无法观测到了,看到遥远的宇宙也不会看到第一个星系,因为即使哈勃望远镜也有能力能将光线远远地投向近红外线,那也就无法探测到红移在15~25的星系,因为只有在那里,才可能发现第一批星系发出的光,不过,在不远的将来,詹姆斯·韦伯空间望远镜,一个口径6.5米专为窥探宇宙最深处而设计红外望远镜,也许会给我们一个惊喜。


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