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如果你能看到大約138億年前的宇宙，它看起來會像一團火焰。那時它只是一團熾熱的電離霧——等離子體——仍然從它在宇宙誕生之初的大爆炸中發出的光芒中閃耀。但當宇宙還處於嬰兒期，只有37萬歲時，一切都發生了變化。隨著宇宙的膨脹而緩慢冷卻，宇宙變得足夠寒冷，等離子體中的電子與質子結合，形成了氫氣。當不透明的等離子體轉變成透明的氣體時，等離子體的最後一道熾熱的光芒突然被釋放出來，照亮了新近透明的宇宙。
即使在今天，這種古老、遺蹟般的光仍然沖刷著我們，經過漫長歲月的消磨，已經減弱為微弱的全天微波輝光：宇宙微波背景 (CMB)。這種光為宇宙學家提供了他們最早可能看到的嬰兒宇宙景象，為宇宙的起源、年齡和組成提供了關鍵證據。除了是終極的宇宙嬰兒照片之外，CMB 還提供了宇宙成長過程的快照。CMB 在穿越數十億光年的膨脹空間到達我們的過程中，受到了與聚合宇宙結構的相互作用的微妙改變。它編碼了一個故事，講述了幾乎沒有特徵的物質和輻射湯如何變成我們有序的星系、恆星和行星宇宙。
現在，宇宙學家使用歐洲航天局普朗克衛星的 CMB 地圖，確定了該故事中一個關鍵事件的時間——宇宙“黑暗時代”的結束，這個時代介於 CMB 的產生和第一批恆星的形成之間。根據普朗克衛星在 2009 年至 2013 年間收集的資料，恆星光在宇宙大爆炸後 5.6 億年開始湧入宇宙。這個日期比之前使用威爾金森微波各向異性探測器 (WMAP) 的 CMB 資料在 2006 年得出的最佳估計值——大爆炸後 4.2 億年——晚了 1.4 億年。普朗克衛星指示的較晚到達時間對於希望使用即將上線的下一代儀器（如詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和平方公里陣列）看到第一批恆星的光的觀測者來說是個好訊息。對於理論宇宙學家來說也是好訊息，他們一直努力將 WMAP 的結果與關於黑暗時代結束的其他相互矛盾的估計相協調。
揭示黑暗時代的真相
當第一批恆星形成時，它們強烈的紫外線“再電離”了宇宙，從大部分氫原子中剝離了電子。由此產生的富含電子的等離子體散射了穿過其中的 CMB 光子。這種散射印記在 CMB 的偏振中（光波在傳播時振盪的方向）。第一批恆星形成得越早，它們產生的散射電子就越多，CMB 中產生的偏振訊號就越強。WMAP 以及後來的普朗克衛星試圖測量的正是這種偏振。
“WMAP 分析將再電離時間定為大爆炸後 4.2 億年，這真是一個謎，”劍橋大學宇宙學家、普朗克合作組織負責人喬治·埃夫斯塔休說。“因為那時根本沒有足夠的恆星來如此迅速地再電離宇宙。”在 2006 年 WMAP 公佈結果後，宇宙學家推動哈勃太空望遠鏡達到其觀測極限，進行了多次深空巡天，以尋找支援該結果所需的早期恆星形成星系。巡天結果僅僅是沒有找到足夠多的足夠早期的發光天體來支援 WMAP 的時間——在那個時代，似乎沒有足夠的星光來再電離宇宙。
然而，理論家們已經掌握了一些可能的解釋，說明宇宙是如何如此迅速地被照亮的。有些人認為，可能存在大量哈勃望遠鏡無法看到的暗淡小星系。或者，另一些人說，第一批恆星是奇異的、短壽命的和超大質量的巨星，比我們的太陽亮得多，質量是太陽的數百甚至數千倍。這些想法尚未被證偽，但由於普朗克衛星修訂的時間線，埃夫斯塔休說，“我們現在不需要任何超出我們已經看到的東西。”
米蘭大學的普朗克合作者馬可·貝爾薩內利說：“1.4 億年的差異似乎不大，但它足以解釋再電離，而無需早期恆星世代或其他奇異過程。”“普朗克衛星的結果表明，我們對宇宙歷史這個關鍵時期的理解得到了很好的簡化。”
普林斯頓大學的戴維·斯珀格爾是 WMAP 團隊的前著名成員，他對此表示贊同。“這確實有助於加強標準宇宙學模型，這讓人們的生活變得更輕鬆，”斯珀格爾說。他指出，普朗克衛星的最新結果實際上與 WMAP 早期的資料基本一致，儘管它們表明 WMAP 的測量結果受到了來自我們銀河系中塵埃的偏振訊號的汙染。當使用普朗克衛星更靈敏的儀器提供的銀河塵埃資料來校正 WMAP 的結果時，再電離的估計值也約為大爆炸後 5.6 億年。此外，普朗克合作組織還進行了一次額外的檢查，使用一種稱為引力透鏡的技術來搜尋 CMB 中宇宙早期有多麼不均勻的證據。這種技術可以產生一個完全獨立的再電離時間估計值。“引力透鏡與偏振無關，這很重要，”埃夫斯塔休說。“然而，它給出的答案相同：5.6 億年。”
更光明的未來
其他獨立的驗證已經在湧入，包括一項新的分析，該分析將普朗克衛星的最新約束與之前令人困惑的哈勃太空望遠鏡巡天結合起來。“我們的論文表明，早期恆星形成星系可能提供了足夠的電離輻射來解釋從普朗克衛星資料推斷出的再電離時間和幅度，”亞利桑那大學的首席作者布蘭特·羅伯遜說。結果不僅驗證了普朗克衛星，而且暗示了美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（旨在觀測第一批恆星和星系）在 2018 年計劃發射後可能會見證什麼。羅伯遜說，普朗克衛星-哈勃望遠鏡的聯合資料表明，韋伯太空望遠鏡在其觀測的第一年就可能很容易看到大約五個不到 5 億年的星系“立刻出現”。
“透過研究形成的第一批發光天體，韋伯太空望遠鏡和平方公里陣列等儀器希望看到並瞭解宇宙是如何從一無所有過渡到擁有恆星和星系的，”埃夫斯塔休說。“普朗克衛星的結果表明，弄清楚這一點會更容易。第一批發光天體形成得越晚越好，我們就有更多的機會看到它們。”
除了宇宙中第一批恆星何時形成的問題之外，普朗克衛星的資料可能仍然可以解決其他謎團——並揭示新的謎團。貝爾薩內利表示，黑暗時代較晚的結束“有利於簡單的冷暗物質情景”，在這種情景中，質量大、移動緩慢且弱相互作用的粒子構成了大部分難以捉摸的未知物質，這些物質在宇宙中數量遠超可見物質。其他替代解釋，例如“熱”情景，其中暗物質粒子以接近光速的分數速度呼嘯而過，更難以與關於宇宙結構形成的年表的整體資料相協調。
普朗克衛星的最新資料似乎也削弱了最簡單的宇宙暴脹模型的案例，宇宙暴脹是假定的原始宇宙在大爆炸後的最初瞬間加速膨脹。斯珀格爾說：“這些模型並沒有完全被普朗克衛星排除，但情況不容樂觀。”他指出，新的普朗克衛星資料最有趣的部分是它對早期宇宙中物質的“團塊性”的暗示。測量這個可以幫助約束暗能量模型，暗能量是似乎正在推動宇宙當前加速膨脹的神秘力量。“正如普朗克衛星推斷的那樣，當時的宇宙看起來比我們觀察星系團時看到的要團塊得多，相差幾個百分點。有三種可能的解釋：也許 CMB 資料有問題......或者也許我們對星系團計數的解釋有問題。最後一種可能性，也是最令人興奮的可能性是，我們需要新的物理學！”
更多資訊： 摺紙天文臺：韋伯太空望遠鏡幕後花絮 [預覽] [https://sciam.tw/article/origami-observatory/]
宇宙中的第一批恆星 [預覽] [https://sciam.tw/article/the-first-stars-in-the-universe-2004-09/]
非洲大陸望遠鏡陣列可能迎來天文學革命 [https://sciam.tw/article/continental-telescope-array-could-usher-astronomy-revolution-in-africa/]