如果宇宙中没有光，生物也就没有眼睛，我们将永远不会知道黑暗的存在。黑暗将会毫无意义。——c.s.刘易斯
我们知道微波背景辐射（CMB）发生在宇宙年龄只有38万年的时候，此时大爆炸残留的辐射（光子）向任何方向同时发出，均匀的充满了整个宇宙。但在CMB之后的宇宙经历了神秘的“黑暗时代”！这个时期宇宙中没有恒星、星系，只有原始的中性气体云。因此这个时期没有所谓的可见光。
今天我们就了解下，这个时期引力对宇宙物质结构的影响；还有第一批恒星，星系和超大质量黑洞的形成？以及对天文学至关重要的21里面线！
宇宙的“黑暗时代”
今天的宇宙从小尺度到大尺度充满了各种各样的结构，包括重元素、有机分子、卫星、行星和生命。在更大的尺度上，宇宙还有一些可以发光的结构，包括恒星、星团、星系、星系团、超新星、类星体和浩瀚的宇宙网络。实际上，在任何方向，任何空间位置，我们都会发现大量的发光物体。它们的数量多少似乎只受限于我们望远镜的口径和曝光时长的限制。
如果我们在宇宙中追寻所能看到的最古老、最遥远的东西，就会发现一个朝四面八方发出光子的辐射面：宇宙微波背景。
回到宇宙的早期阶段，也就是热大爆炸的时候，此时的宇宙中充满了一切能从能量上产生的任何粒子，当然这就包含了目前已知和未知的粒子：光子、物质、反物质，以及暗物质粒子以及一些神秘消失的奇异粒子。随着宇宙年龄的增长，空间也在不断的膨胀，一直持续到了今天。当宇宙膨胀时，它也会冷却，因为光子的能量与它的波长成反比，而膨胀的宇宙会拉伸光子的波长，使得光子能量降低。
膨胀降温意味着，宇宙在某一时刻：
- 变得足够冷，物质/反物质对的自发产生过程逐渐停止，这就意味着所有的反物质将湮灭消失，
- 变得足够冷，质子和中子可以在不被高能辐射立即炸开的情况下稳定的组合成原子核，最终
- 变得足够冷，中性原子也可以稳定地形成（上一步形成的原子核可以和电子稳定的结合在一起）而不被光子重新电离。
最后一步非常重要，因为当宇宙经历了这种转变以后，它从不透明的离子化等离子体（光子频繁的被电子散射）就变成了对光子透明的状态（光子可以自由的沿直线传播）。因为中性原子只会吸收特定能量的光子，大部分集中在可见光波段。
这就是最后散射面（CMB）的来源。当CMB第一次形成的时候，温度大约是2940k，为红色光。在未来300万年左右的时间范围内，CMB的光将会从可见光中红移，变成纯红外光，最终，随着时间的推移，光子的波长会被拉伸到微波波段。然而，从那一刻起（宇宙在38万年前发出宇宙微波背景辐射）直到数千万年后第一颗恒星的形成，宇宙中没有任何新光产生，更没有我们所能看到的可见光。这就是所谓的宇宙“黑暗时代”。
当恒星、星系和黑洞形成的时候就是黑暗时代结束的时候，宇宙进入了第二次光明的时代。如果大爆炸创造了第一束光，那么在形成第一批恒星之前，不会有新的光源产生，直到宇宙5000到1亿年之间才会发生新的光源。(你可能听说过5.5亿年这个数字，这是宇宙再电离时代，不是第一批恒星的形成时间！)
只有在第一批恒星形成之后，我们才有了第一个黑洞（来自恒星的死亡），第一个超大质量黑洞（来自黑洞的合并），第一个星系（来自许多星团的合并），以及后来更大的宇宙结构。
在宇宙微波背景辐射之后，在第一颗恒星出现之前的那段时间呢？宇宙发生了什么？
对于这个问题，实际上有两个肯定的答案。
- 引力的作用使得微小的，密度略高于平均密度3万分之一区域，变成了宇宙中第一批恒星的位置。
这就是我们熟知的宇宙微波背景温度波动！这些微小的密度涨落是由COBE、Boomerang、WMAP和普朗克等卫星发现的。我们在CMB中看到的那些“热点”（红色）实际上是宇宙中物质含量略低于平均水平的区域，而“冷点”（蓝色）则是物质含量略高于平均水平的区域。为什么？因为即使宇宙微波背景辐射发出时在任何地方都是一样的，但当它们穿过物质越多的区域，在引力的作用下就会损失越多的能量。（引力红移）
微波辐射中的这些冷点会随着时间的推移而生长，吸引了越来越多的物质。随着宇宙的膨胀物质变得越来越重要而辐射变得越来越不重要（物质开始掌管宇宙，一开始是辐射、物质、后来暗能量），这些区域的生长速度也随之提高。
到宇宙1600万年的时候，典型的高密度区域的大小是CMB形成时的10倍。也就是说，那些一开始密度高于平均密度1 / 30000的区域现在是1 / 3000；10000分之一的现在是1000分之一，而那些非常罕见的巨大温度波动区域，在宇宙微波背景辐射时可能是500分之一，现在是50分之一，比平均密度高了2%。随着时间的推移，这些密度高的区域继续增长。最终会达到一个阈值，当一个密度过高的区域高于“平均”密度的68%时，就会达到非线性增长的程度，这意味着物质的引力积累会迅速加速。
高密度区域一旦跨过这个门槛，就会在未来形成恒星；从达到这个密度门槛到点亮恒星，这可能是一个不到1000万年的过程。当然要想将宇宙中的中心原子重新电离就需要无数的恒星共同努力，这就是为什么宇宙会经历几千万甚至几亿年的“黑暗时代”。当黑暗时代（宇宙中唯一没有可见光的时代）结束时，第二次光的时代将会来临。
但是宇宙的黑暗时代并不是完全100%的黑暗。当然，周围确实没有可见光，但在宇宙形成恒星之前，确实产生了少量的光，这是因为宇宙中最简单的结构之一：一个不起眼的、简单的、中性原子。
- 这些中性原子（其中92%是氢原子）缓慢地释放出波长为21厘米的光，其处在无线电波波段。
我们通常认为氢原子是一个质子和一个电子组成，而电子绕着质子旋转。这是100年前尼尔斯·玻尔第一次提出的氢原子模型。质子和电子的一个特性在宇宙黑暗时代极其重要：它们都有一个自旋，或者一个固有的角动量。
为简单起见，我们可以将质子和电子自旋的性质建模为“向上”或“向下”，因此，如果有一个质子和电子结合在一起，可以使它们自选方向对齐（统一向上或向下），或反对齐（一个向上、一个向下）。氢原子在形成的时候是完全随机的，只取决于质子和电子第一次见面制造氢原子时的自旋状态：最初大约50%是对齐的，50%是反对齐的。这两种状态之间有一个非常小的能量差，对应于波长为21厘米的光子的能量，或者5.9微电子伏特，但是量子力学定律禁止从高能（对齐）状态到低能（反对齐）状态的转变。
只有通过一个极其罕见的过程，平均3.4×10^15秒（约1100万年）的跃迁，一个排列整齐的原子才能变成一个反排列的原子，在这个过程中会释放出一个波长为21厘米的光子。
这种“自旋翻转转变”由于寿命长，从未在实验室中被观测到，但在1951年以天文学的角度发现了这种转变，这对于绘制可见光根本无法完成的特征具有非常重要的作用。毕竟我们通过21厘米线第一次绘制出了银河系的螺旋结构，因为由于星系中的尘埃，在可见光下不可能看到整个星系。这也是我们如何测量星系在恒星存在距离之外旋转曲线的方法；21厘米的线对于天文学来说是一个非常强大的工具。
总结：“黑暗时代”并不黑暗
下一代天文学的目标之一是建造一架对21厘米线高度敏感的望远镜，希望能在黑暗时代绘制出宇宙的地图，但这一目标从未实现过。它将使我们的视野超越可见的范围，超越再电离时代，甚至超越詹姆斯·韦伯太空望远镜希望到达的第一颗恒星。
虽然黑暗时代的名字很贴切，但我们有机会通过最微弱、能量最低的光来照亮宇宙的黑暗时代。由于宇宙的红移，目前光的波长将达到10米，这意味着我们需要有更强大的望远镜才能看到它。理想情况下,我国的FAST只要远离地球的无线电干扰，身处在太空就可以观察到宇宙的黑暗时代。
这就是宇宙黑暗时代的故事！
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