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宇宙黑暗時代：你需要知道的一切

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宇宙黑暗時代：你需要知道的一切


宇宙黑暗時代動畫顯示宇宙隨著時間的推移 ， 從目前的許多星系開始，它們逐漸縮小到一個橙色的點 。(圖片來源:Getty Images科學圖片庫)
據美國太空網（康納·菲利）：“宇宙黑暗時代”指的是早期宇宙中的一個時期，當時光源被中性氫氣的濃霧所掩蓋 。雖然光現在可以向宇宙的各個方向傳播，使宇宙透明，但早期的宇宙被氫氣籠罩，吸收了第一批恒星和輻射源發出的光 。
在宇宙大爆炸后的前380，000年里，所有的物質和能量都以一個極熱、致密的電離等離子體膨脹球的形式存在 。此時，這種高能湯中的亞原子粒子之間的碰撞阻止了粒子獲得電子以形成穩定的原子 。然而，一旦宇宙充分膨脹和冷卻，亞原子粒子可以獲得電子形成中性氫原子，宇宙黑暗時代開始了 。
然而，一旦有足夠多的恒星誕生 ， 它們產生的紫外光最終電離了星際空間中的所有氫，允許光子在宇宙中向各個方向自由傳播，而不會被中性氫吸收或散射 。通過模擬和觀察的結合，天體物理學家估計宇宙黑暗時代開始于大爆炸后38萬年 。被認為結束宇宙黑暗時代的過程開始于大爆炸后大約6 . 8億年，結束于大爆炸后大約11億年 。
宇宙黑暗時代常見問題
宇宙黑暗時代持續了多久？
雖然普遍認為宇宙黑暗時代開始于大爆炸后第一個中性氫原子形成的380，000年，但這一時期的確切結束時間仍然是一個有爭議的問題 。隨著越來越多的恒星從宇宙黑暗中出現，宇宙中早期的大質量恒星向宇宙中發出紫外光的再電離過程可能需要幾百萬年 。對早期星系的觀察表明，電離開始于大爆炸后大約6.8億年，而可見宇宙的完全電離可能在大爆炸后大約11億年完成 。
宇宙的黑暗時代是什么？
短語“宇宙的黑暗時代”指的是早期宇宙的一個階段，當時宇宙被黑暗籠罩 。在早期宇宙中，紫外線不能自由地長距離傳播，因為它被稠密的中性氫原子云吸收和散射 。
是什么導致了宇宙黑暗時代的結束？
宇宙黑暗時代的結束是一個漸進的過程 。早期宇宙中密度較大的中性氫氣區域最終在引力作用下坍縮，形成了大質量恒星——宇宙中的第一批恒星 。這些恒星向附近的宇宙發出了大量的紫外光 ， 但直到早期宇宙中恒星和原星系豐富時，才有足夠的紫外光被發射到太空中，以完全再電離星際空間中的所有中性氫 。
氫的出現
宇宙黑暗時代的開始是由宇宙中氫的出現帶來的 。大爆炸是熱的 。但是，一旦由質子、電子和其他亞原子粒子組成的稠密等離子體由于宇宙的膨脹而獲得足夠的空間來冷卻，這些電子和質子可以聚集在一起形成原子，以大量氫和少量氦的形式存在 。
雖然星系中豐富的氫最終孕育了第一批恒星和星系，但這種原始氫對電磁波譜中不同頻率光的吸收，讓青少年宇宙變得不透明 。
然而，一旦第一批恒星和星系的熔爐遍布整個宇宙，足夠的高能紫外線輻射——光子——被發射到星際空間，以剝奪中性氫原子的電子 。現在，這些高能光子沒有被這些攜帶電子的氫原子吸收，而是自由地在宇宙中長途旅行 。
第一批恒星和星系

宇宙黑暗時代：你需要知道的一切


一位藝術家對早期宇宙中恒星暴增的星系的印象，這些星系通過宇宙網中的細絲被供給恒星形成的原材料 。(圖片鳴謝:艾倫·m·蓋勒(Aaron M. Geller)，西北大學，CIERA + IT-RCDS)
天文學家估計，在宇宙歷史的第一個5億年中，第一批恒星和星系開始在宇宙中出現 。這些早期的恒星群體負責將第一批重元素分布到整個宇宙，并觸發了再電離過程，使光能夠不受阻礙地穿越太空 。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡上的近紅外相機為天文學家提供了前所未有的機會來觀察早期宇宙中的這些結構，并且發現了一些驚喜 。對這些早期星系的觀測表明 ， 它們比星系形成模型預測的要明亮得多 。一種解釋是，這些早期星系充滿了極其巨大、酷熱的恒星 。
追溯宇宙黑暗時代
我們對宇宙黑暗時代存在的宇宙進行觀測的能力受到幾個明顯障礙的限制 。首先 ， 當時天很黑 ， 光源被當時濃密的氫氣云遮擋 。然而，天文學家和宇宙學家認為，有一天我們可能能夠在早期宇宙中觀察到這一時期的一些光——即氫氣發出的無線電波 。
只有在太空中才能觀測到如此巨大的無線電波，因為地球的大氣層阻擋了它們 。然而，有一天，一個基于月球的天文臺可以回溯到宇宙看起來與現在大不相同的時代 。天文學家已經表明 ， 基于月球的射電天文臺可以提供宇宙黑暗時代誘人的一瞥 。