科學家發現宇宙第一顆恆星形成證據,離大爆炸僅 1.8 億年

作者 | 發布日期 2018 年 03 月 01 日 12:46 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

就好比在颶風中聆聽蜂鳥的振翅聲一樣困難,但透過探測極微弱的無線電訊號,天文學家仍宣布找到了第一顆恆星的形成證據,距離大爆炸僅僅 1.8 億年!同時,另一組科學家也發現此時宇宙溫度比預期的還要寒冷 2 倍,研究人員表明,很可能就是暗物質相互作用下的結果。



根據大霹靂理論,大約 138 億年前宇宙發生了大爆炸(Big Bang),從一個極緊密、極熾熱的奇點不斷膨脹至現在的狀態。宇宙誕生後不久便陷入黑暗時期,光被隱匿在混沌(中性氫原子阻擋了光線)中,直到物質開始聚集,並在極高壓力下壓縮成足以發生核融合的核心,第一批恆星至此開始閃爍。

(Source:美國國家科學基金會

當這些元老恆星開始向宇宙發射紫外線輻射時,它們的光子與中性氫氣混合而使宇宙「雲散天開」,自混沌中變得半透明。而也就是當氫原子吸收背景輻射時產生的無線電波以特定頻率穿越太空,讓天文學家得以用無線電望遠鏡觀測到它們的輪廓。

時間改變了波長

由於宇宙不斷膨脹,加上元老恆星帶來的無線電波已在太空飛了很久很久,氫原子的波長隨著時間推移而增加(根據普朗克定律,波長與能量成反比),頻率降低,這就是此次天文學家利用一台放在澳洲沙漠中、一個相當小的無線電天線光譜儀「EDGES」所檢測到的微弱訊號。

▲ 無線電天線光譜儀「EDGES」。(Source:亞利桑那州立大學

當你在調整 FM 廣播頻段時,你不總是聽到電台播放的音樂、新聞或廣告──多數情況下,你聽到雜音和靜音,這種環境背景聲實際上來自整個銀河系的亂碼訊號。

假如你擁有地球上最敏感的調頻接收機,就跟上述團隊使用的儀器一樣,那麼你也可能找到一個極微弱訊號,沒有被地球的各種無線電訊號淹沒,不是來自銀河系,而是來自宇宙最早的恆星──距離大爆炸僅 1.8 億年,也就是距今遠達 136 億年前。

美國國家科學基金會天文科學部主管 Peter Kurczynski 形容,這難度就好比你想在颶風中聆聽蜂鳥振翅的聲音。

麻省理工學院、亞利桑那州立大學團隊的觀測結果,基本上是來自調頻最低頻段中,無線電波振幅的小幅下降,但這種微小變化已然可以揭示早期宇宙發生的事情,尤其是大爆炸後的前幾億年,那是現代望遠鏡幾乎看不透的黑暗時代。該團隊花了整整 1 年時間確認,研究發表在《自然》期刊。

▲ 美國國家科學基金會釋出解說影片。

當氫開始吸收背景輻射時,波長為 21 公分,相當於頻率 1,420MHz,但由於宇宙膨脹,估計這些頻率到達地球時會落在 100MHz 左右,因此團隊最初將天線設置為接收宇宙中 100~200MHz 間的頻率,一無所獲。

隨後團隊意識到 100MHz 是基於假設氫氣比周圍介質還要熱,如果氫氣實際上更冷一些呢?於是他們將接收範圍調整至 50~100MHz 間,接著就像被雷擊中,他們看見 78MHz 左右振幅下降最強烈,這件事告訴團隊:當氫原子開始吸收背景輻射時,宇宙剛誕生約 1.8 億年。

未參與研究的哈佛天體物理學家 Avi Loeb 接受《Gizmodo》採訪時表示,如果該團隊的檢測是正確的,基本上可以得到兩項諾貝爾獎,一個成就是探測到大爆炸後 1.8 億年的氫氣,另一個則是暗物質牽涉其中,致使宇宙當時溫度比估計的還冷。但由於這是單一團隊單一檢測,後續還需有其他獨立實驗來佐證。

(首圖來源:美國國家科學基金會