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        第一盞星光與暗物質(zhì)

        2018-03-26 10:17:38苗千
        三聯(lián)生活周刊 2018年11期
        關(guān)鍵詞:氫原子暗物質(zhì)天文學(xué)家

        苗千

        一個(gè)經(jīng)由一場(chǎng)大爆炸而誕生的陰冷黑暗的宇宙,何時(shí)才能迎來(lái)黎明?當(dāng)宇宙中的第一顆恒星形成,整個(gè)宇宙都被點(diǎn)亮,又會(huì)對(duì)整個(gè)宇宙的命運(yùn)造成怎樣的影響?在宇宙大爆炸發(fā)生了將近138億年之后,人類(lèi)是否還能回溯到宇宙開(kāi)始變亮的那一刻?

        在澳大利亞西部茫茫沙漠的中間,一組科學(xué)家在這里終年忙碌,這是為了用一種特殊的方法探測(cè)到宇宙中的第一盞星光。他們?cè)谖挥谖靼拇罄麃喌哪嫔姴ㄌ煳挠^測(cè)站(Murchison Radio-astronomy Observatory),遠(yuǎn)離現(xiàn)代生活的各種無(wú)線電干擾,建造出一個(gè)比家用冰箱略大的天線進(jìn)行天文學(xué)探測(cè)。相比于動(dòng)輒花費(fèi)天文數(shù)字的各種天文學(xué)探測(cè)設(shè)備,這個(gè)天線的造價(jià)不到500萬(wàn)美元。而在經(jīng)過(guò)了12年的探測(cè)之后,這組科學(xué)家利用這個(gè)天線探測(cè)到的數(shù)據(jù)震驚了世界天文學(xué)界。如果這組數(shù)據(jù)還有其所指向的結(jié)果能夠最終被證實(shí),不僅會(huì)讓人們對(duì)于宇宙早期形態(tài)的認(rèn)識(shí)更加清晰,還有可能對(duì)于當(dāng)今物理學(xué)研究的最大謎團(tuán)——暗物質(zhì)的真實(shí)身份——產(chǎn)生決定性的影響。

        想要理解這個(gè)發(fā)現(xiàn)的意義,需要從宇宙的源頭開(kāi)始說(shuō)起。人們至今仍然不清楚最早的恒星于何時(shí)形成,它們又具有哪些性質(zhì)。宇宙經(jīng)過(guò)大爆炸誕生大約40萬(wàn)年之后,逐漸形成了氫原子和氦原子,這些原子彌漫在黑暗的宇宙空間之中,隨后在引力的作用下,物質(zhì)開(kāi)始逐漸聚合,形成恒星,整個(gè)宇宙于是被點(diǎn)亮了。天文學(xué)家估計(jì)這些最早期的恒星可能比現(xiàn)在的恒星更熱,結(jié)構(gòu)也更簡(jiǎn)單。

        關(guān)于第一盞星光究竟在何時(shí)被點(diǎn)亮,在天文學(xué)界有各種理論進(jìn)行預(yù)測(cè),根據(jù)最新的探測(cè)結(jié)果來(lái)看,最初的恒星形成于宇宙誕生之后的1.8億年。恒星的出現(xiàn)對(duì)于整個(gè)宇宙的形態(tài)和演化過(guò)程都造成了重大影響。恒星被點(diǎn)亮之后,彌漫在它們周?chē)臍錃饨K于有可能被“看見(jiàn)”,它們發(fā)出的光線可以被氫氣吸收,這也是恒星形成的最重要的標(biāo)志,它開(kāi)始影響周?chē)拿浇椤哪撤N意義上說(shuō),構(gòu)成地球和人類(lèi)的主要物質(zhì)都源于恒星。目前在宇宙中常見(jiàn)的一些天體,包括黑洞,大多也都源于恒星。追溯第一顆恒星的歷史,也就相當(dāng)于追溯到了人類(lèi)演化歷史的最源頭。

        恒星出現(xiàn)的意義還不止于此。在恒星出現(xiàn)之前,氫原子與大爆炸產(chǎn)生的宇宙微波背景輻射都均勻地彌漫在宇宙空間中,彼此之間的相互作用形成了一種平衡狀態(tài)。當(dāng)恒星出現(xiàn)之后,它所發(fā)射的紫外線可能被分布在它周?chē)臍湓铀?,這個(gè)過(guò)程會(huì)影響氫原子的結(jié)構(gòu),造成氫原子內(nèi)電子的躍遷,進(jìn)而發(fā)射出波長(zhǎng)21厘米(頻率為1420兆赫茲)的輻射,而這種輻射有可能在地球上被探測(cè)到。輻射在宇宙膨脹過(guò)程中經(jīng)過(guò)紅移現(xiàn)象演變得波長(zhǎng)更長(zhǎng)、頻率更低。正是因?yàn)檩椛涞牟ㄩL(zhǎng)和頻率隨著宇宙的膨脹而逐漸變化,天文學(xué)家可以通過(guò)探測(cè)到的輻射特點(diǎn)來(lái)判斷它所形成的時(shí)間。在澳大利亞進(jìn)行天文探測(cè)的研究小組正是因此推斷了宇宙最初開(kāi)始變亮的時(shí)間,而輻射信號(hào)的消失則標(biāo)志著宇宙中最早期的恒星的熄滅——通過(guò)波長(zhǎng)判斷這是發(fā)生在宇宙形成的2.5億年之后。

        這個(gè)在澳大利亞的沙漠中進(jìn)行天文學(xué)探測(cè)的研究小組由來(lái)自美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)和麻省理工學(xué)院的天文學(xué)家組成,他們正合作進(jìn)行一個(gè)名為“全天再電離時(shí)期信號(hào)探測(cè)實(shí)驗(yàn)”(Experiment to Detect the Global EoR Signature)的項(xiàng)目研究,他們希望利用一組特殊制作的天線,探測(cè)來(lái)自宇宙中第一顆恒星所發(fā)出的輻射信號(hào)。因?yàn)檫@種信號(hào)的頻率上限恰好與地球上電臺(tái)廣播的頻率相重合,任何來(lái)自地球的干擾信號(hào)都可能是他們想要探測(cè)的宇宙信號(hào)強(qiáng)度的上千倍,天文學(xué)家們只能在沒(méi)有任何來(lái)自地球的無(wú)線電波干擾的默奇森電波天文觀測(cè)站進(jìn)行探測(cè)。資助這個(gè)研究項(xiàng)目的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)項(xiàng)目主管彼得·科琴斯基(Peter Kurczynski)形容說(shuō),想要探測(cè)這樣的信號(hào),就如同要在風(fēng)暴的中心探測(cè)蜂鳥(niǎo)扇動(dòng)翅膀的聲音。

        實(shí)際上,研究小組最初是想探測(cè)宇宙中更晚一些時(shí)間的恒星輻射信號(hào),但是從2015年開(kāi)始,他們把探測(cè)信號(hào)的頻率調(diào)整到了78兆赫茲,這個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為宇宙大爆炸之后的1.8億年。多年的辛苦工作終于取得了回報(bào),2018年3月1日,來(lái)自亞利桑那州立大學(xué)的天文學(xué)家賈德·鮑曼(Judd Bowman)與合作者們共同在《自然》(Nature)雜志發(fā)表論文《以78兆赫為中心的全天平均光譜吸收曲線》(“An Absorption Profile Centred at 78 Megahertz in the Sky-averaged Spectrum”),報(bào)告了研究小組多年來(lái)取得的探測(cè)結(jié)果。

        鮑曼的研究小組通過(guò)地面天線探測(cè)到了宇宙大爆炸發(fā)生1.8億年之后,也就是距今大約136億年前的恒星輻射信號(hào)。它是來(lái)自遠(yuǎn)古的恒星光線在被周?chē)鷼錃馕罩罅粝碌挠∮?,這也是宇宙中最早的恒星所能留下的信號(hào)。鮑曼自己評(píng)價(jià)說(shuō),除了宇宙大爆炸之外,這是人類(lèi)能夠探測(cè)到的最早的宇宙信號(hào)。

        如果說(shuō)探測(cè)到了宇宙中最早的恒星所留下的信號(hào),讓人們對(duì)于宇宙的早期狀態(tài)的理解更加清晰,并且驗(yàn)證了一種全新的探測(cè)宇宙的方法完全可行,還算是在研究者的預(yù)料之中的話,那么一些意料之外的發(fā)現(xiàn)就讓人感到既迷惑又興奮了。天文學(xué)家們探測(cè)到的早期恒星的信號(hào)強(qiáng)度是此前預(yù)測(cè)的兩倍,鮑曼以及合作者們對(duì)這個(gè)結(jié)果感到非常迷惑,他們甚至重新建造了一個(gè)天線,又花費(fèi)了兩年時(shí)間進(jìn)行探測(cè),結(jié)果依然如故。

        要解釋這個(gè)現(xiàn)象,只能認(rèn)為當(dāng)時(shí)宇宙空間中氫原子的溫度只有天文學(xué)家們此前估計(jì)的一半。根據(jù)估算,當(dāng)時(shí)氫原子的平均溫度應(yīng)該為大約6開(kāi)爾文,而探測(cè)信號(hào)顯示,當(dāng)時(shí)氫原子的平均溫度僅僅為3開(kāi)爾文左右。那么又該如何解釋在宇宙形成的早期,氫原子的平均溫度只有理論估算溫度的一半?以色列特拉維夫大學(xué)的天文學(xué)家熱納·巴克納(Rennan Barkna)認(rèn)為,理論與實(shí)際的差別,涉及到了當(dāng)今物理學(xué)研究中最大的一個(gè)謎題:暗物質(zhì)之謎。巴克納的推斷在物理學(xué)界所引發(fā)的震動(dòng)更甚于鮑曼做出的發(fā)現(xiàn)。

        2018年3月1日,在同一期《自然》雜志中,緊隨鮑曼與合作者所發(fā)表的論文,巴克納根據(jù)他們的探測(cè)數(shù)據(jù)也發(fā)表了一篇論文《由最早的恒星所揭示的重子與暗物質(zhì)粒子之間可能存在的相互作用》(“Possible Interaction Between Baryons and Dark-Matter Particles Revealed by the First Stars”)。論文中所謂的“重子”(Baryon)可以理解為人類(lèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和理解的普通物質(zhì)。而自從上世紀(jì)30年代人類(lèi)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的存在之后,人們通過(guò)引力作用的計(jì)算,發(fā)現(xiàn)其占宇宙總物質(zhì)能量的26.8%,卻至今仍然對(duì)其性質(zhì)缺少理解,甚至連暗物質(zhì)的基本組成形式都不清楚。

        巴克納的論文將暗物質(zhì)與天文學(xué)家們剛剛發(fā)現(xiàn)的宇宙中最早的恒星信號(hào)聯(lián)系在了一起,他認(rèn)為正是由于暗物質(zhì)的存在,使當(dāng)時(shí)氫原子的平均溫度低于預(yù)期。巴克納在論文中推斷,在當(dāng)時(shí)的宇宙條件下,唯一可能溫度低于氫原子的物質(zhì)就是暗物質(zhì)。如果在當(dāng)時(shí)氫原子與暗物質(zhì)粒子發(fā)生了相互碰撞,兩者之間就有可能發(fā)生能量交換,從而降低氫原子的溫度——如果這個(gè)解讀成立的話,這就是人類(lèi)第一次通過(guò)非引力作用探測(cè)到暗物質(zhì)的存在。

        盡管目前人們觀測(cè)不到暗物質(zhì)與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用,但是在宇宙誕生的初期情況可能并不是如此。天文學(xué)家們猜測(cè),在低溫、低速的條件下,暗物質(zhì)有可能與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用。經(jīng)過(guò)計(jì)算,暗物質(zhì)粒子要和氫原子發(fā)生散射,暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量大約相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的幾倍——這可能也正是人類(lèi)多年來(lái)都無(wú)法探測(cè)到暗物質(zhì)粒子的原因,人們此前估計(jì)的暗物質(zhì)粒子,例如大質(zhì)量弱相互作用粒子的質(zhì)量都遠(yuǎn)超質(zhì)子。粒子物理學(xué)家們之前可能完全找錯(cuò)了方向。

        鮑曼研究小組的探測(cè)結(jié)果以及巴克納的推斷在《自然》雜志發(fā)表之后,迅速在全世界物理學(xué)界引發(fā)了軒然大波。這不單單可能是人類(lèi)探測(cè)宇宙早期狀態(tài)的一個(gè)重大突破,也有可能是幾十年來(lái)人類(lèi)所做暗物質(zhì)研究的最重大突破。哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家阿維·勒布(Avi Loeb)評(píng)價(jià)說(shuō),如果這個(gè)研究成果和推斷都能成立的話,值得獲兩個(gè)諾貝爾獎(jiǎng),但是“不尋常的主張需要不尋常的證據(jù)”,還需要耐心等待其他研究小組對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。

        人類(lèi)進(jìn)行天文學(xué)研究,追尋整個(gè)宇宙以及人類(lèi)自身的源頭,找尋人類(lèi)自身存在的價(jià)值,這可能正是人類(lèi)進(jìn)行科學(xué)研究最根本的意義所在。而在進(jìn)行科學(xué)研究和探測(cè)的過(guò)程中收獲意外驚喜,進(jìn)而可能對(duì)科學(xué)發(fā)展做出貢獻(xiàn),則是一位科學(xué)家所能獲得的最大獎(jiǎng)賞了。在21世紀(jì),在宇宙大爆炸發(fā)生的138億年之后,人類(lèi)能夠探測(cè)到宇宙中第一盞星光,這難免讓人想起敘利亞詩(shī)人阿多尼斯的詩(shī)句:

        當(dāng)我把眼睛沉入你的眼睛

        我瞥見(jiàn)幽深的黎明

        我看到古老的昨天

        看到我不能領(lǐng)悟的一切

        我感到宇宙正在流動(dòng)

        在你的眼睛和我之間

        (本文寫(xiě)作參考了《自然》《科學(xué)》雜志,以及美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的報(bào)道)

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