宇宙曾經(jīng)在數(shù)億年的時(shí)間里一片黑暗，而一種原子可能就是開啟這個(gè)被遺忘時(shí)代的鑰匙。很久以前，在第一顆恒星形成之前的幾百萬年里，整個(gè)宇宙一片黑暗。這段宇宙“黑暗時(shí)代”從大爆炸后約40萬年開始，持續(xù)了數(shù)億年，標(biāo)志著最近一次真正的真空；宇宙中沒有行星，沒有恒星，沒有星系也沒有生命，只有一團(tuán)由大爆炸形成的氫原子組成的霧，在無盡的黑暗中飄蕩。

今天，世界各地的望遠(yuǎn)鏡都在試圖一窺這些原始的氫（被稱為中性氫原子），以確定黑暗時(shí)代最終結(jié)束，以及第一個(gè)星系形成的時(shí)刻。雖然這些古老的原子非常難以捉摸，但在澳大利亞內(nèi)陸進(jìn)行觀測(cè)的一組研究人員可能已經(jīng)十分接近找到它們。

根據(jù)發(fā)表在預(yù)印本數(shù)據(jù)庫(kù)arXiv上的一項(xiàng)新研究，天文學(xué)家使用默奇森廣域陣列（Murchison Widefield Array，簡(jiǎn)稱MWA）射電望遠(yuǎn)鏡深入觀察宇宙的過去，搜尋中性氫的標(biāo)志性波長(zhǎng)。這項(xiàng)研究的結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在近期的《天體物理學(xué)雜志》（Astrophysical Journal）上。遺憾的是，研究人員沒有找到想要找的東西，但利用望遠(yuǎn)鏡陣列最近更新的設(shè)置，研究小組確定了中性氫信號(hào)強(qiáng)度的最低限度。

研究報(bào)告的合著者、美國(guó)布朗大學(xué)物理學(xué)助理教授喬納森·蒲柏（Jonathan Pober）說：“我們可以有把握地說，如果中性氫信號(hào)比我們?cè)谡撐闹性O(shè)定的極限更強(qiáng)，那望遠(yuǎn)鏡就會(huì)探測(cè)到它們。”這意味著尋找這些古老分子的工作仍在繼續(xù)，而研究人員現(xiàn)在知道，中性氫的痕跡其實(shí)比預(yù)期的更加模糊。

第一個(gè)原子

貫穿早期宇宙的能量是如此之強(qiáng)，以至于每個(gè)原子的電子都被奪走，從而獲得一個(gè)正電荷。第一個(gè)原子是帶正電荷的氫離子。在數(shù)十萬年的時(shí)間里，宇宙冷卻并膨脹到足以讓這些氫離子重新獲得電子，再次變成中性。這些中性的氫原子被認(rèn)為是宇宙黑暗時(shí)代的主要特征。最終，當(dāng)足夠多的原子聚集在一起，形成第一批恒星時(shí)，這些原子又會(huì)被這些恒星的輻射能量重新電離。

科學(xué)家已經(jīng)知道，中性氫發(fā)出的輻射波長(zhǎng)為21厘米。然而，隨著宇宙在過去的120億年里不斷膨脹，這些波長(zhǎng)也被拉長(zhǎng)了。據(jù)這項(xiàng)新研究的作者估計(jì)，中性氫的波長(zhǎng)已經(jīng)延伸到大約2米，而他們正是利用WMA望遠(yuǎn)鏡在天空中搜索這一信號(hào)。

問題是，有許多光源（包括人造的和天然的）都以相同的波長(zhǎng)輻射。“所有這些其他光源都比我們?cè)噲D探測(cè)的信號(hào)強(qiáng)很多個(gè)數(shù)量級(jí)，”蒲柏說，“即使是從一架恰好經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡上方的飛機(jī)反射回來的調(diào)頻無線電信號(hào)，也足以污染數(shù)據(jù)?！?/p>

因此，蒲柏和同事們寫了一組方程，以在觀察結(jié)果中識(shí)別并去除這些干擾。在拍攝了1200多張?zhí)炜盏臒o線電波快照后，研究人員確定，他們發(fā)現(xiàn)的每一個(gè)2米波長(zhǎng)的痕跡信號(hào)都來自于中性氫以外的其他來源。

雖然最重要的中性氫原子信號(hào)仍未被發(fā)現(xiàn)，但這項(xiàng)新研究成功縮小了未來尋找中性氫的范圍。研究人員稱，這些結(jié)果有力地表明，MWA望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)正引導(dǎo)我們沿著正確的道路尋找中性氫。隨著進(jìn)一步的研究，宇宙黑暗時(shí)代的最后遺跡可能很快就會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

什么是宇宙的“黑暗時(shí)期”？

宇宙演化歷史中的“黑暗時(shí)期”指的是大爆炸結(jié)束時(shí)的等離子體復(fù)合到第一代恒星開始形成的使其。此前的宇宙中充滿高能量的光子，導(dǎo)致宇宙中的普通物質(zhì)（主要是氫和氦）處于電離狀態(tài)。大爆炸后約40萬年時(shí)，隨著宇宙膨脹，這些光子的能量不足以再電離氫和氦，于是自由電子與氫、氦原子構(gòu)成中性原子。

隨著自由電子消失，光子可以自由傳播，不再發(fā)生散射，從而使宇宙變得透明。這些光子最終紅移至微波波段，形成今天我們所觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射。此時(shí)的宇宙十分均勻，沒有恒星，除了氫、氦和少量在大爆炸核合成時(shí)期產(chǎn)生的輕核如氘、氦-3、鋰之外也沒有其他元素，因此被稱為黑暗時(shí)期。

目前，現(xiàn)有的天文觀測(cè)可以看到黑暗時(shí)期之前的宇宙，即宇宙微波背景輻射；也能夠看到黑暗時(shí)期之后的宇宙，包括恒星、星系、類星體等，但仍然無法觀測(cè)到黑暗時(shí)期的宇宙。了解并觀測(cè)這段時(shí)期發(fā)生的物理過程是天文學(xué)中非常重要的科學(xué)問題。

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