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如果你能看到大约138亿年前的宇宙，它看起来会像一团火焰。那时它只是一团炽热的电离雾——等离子体——仍然从它在宇宙诞生之初的大爆炸中发出的光芒中闪耀。但当宇宙还处于婴儿期，只有37万岁时，一切都发生了变化。随着宇宙的膨胀而缓慢冷却，宇宙变得足够寒冷，等离子体中的电子与质子结合，形成了氢气。当不透明的等离子体转变成透明的气体时，等离子体的最后一道炽热的光芒突然被释放出来，照亮了新近透明的宇宙。
即使在今天，这种古老、遗迹般的光仍然冲刷着我们，经过漫长岁月的消磨，已经减弱为微弱的全天微波辉光：宇宙微波背景 (CMB)。这种光为宇宙学家提供了他们最早可能看到的婴儿宇宙景象，为宇宙的起源、年龄和组成提供了关键证据。除了是终极的宇宙婴儿照片之外，CMB 还提供了宇宙成长过程的快照。CMB 在穿越数十亿光年的膨胀空间到达我们的过程中，受到了与聚合宇宙结构的相互作用的微妙改变。它编码了一个故事，讲述了几乎没有特征的物质和辐射汤如何变成我们有序的星系、恒星和行星宇宙。
现在，宇宙学家使用欧洲航天局普朗克卫星的 CMB 地图，确定了该故事中一个关键事件的时间——宇宙“黑暗时代”的结束，这个时代介于 CMB 的产生和第一批恒星的形成之间。根据普朗克卫星在 2009 年至 2013 年间收集的数据，恒星光在宇宙大爆炸后 5.6 亿年开始涌入宇宙。这个日期比之前使用威尔金森微波各向异性探测器 (WMAP) 的 CMB 数据在 2006 年得出的最佳估计值——大爆炸后 4.2 亿年——晚了 1.4 亿年。普朗克卫星指示的较晚到达时间对于希望使用即将上线的下一代仪器（如詹姆斯·韦伯太空望远镜和平方公里阵列）看到第一批恒星的光的观测者来说是个好消息。对于理论宇宙学家来说也是好消息，他们一直努力将 WMAP 的结果与关于黑暗时代结束的其他相互矛盾的估计相协调。
揭示黑暗时代的真相
当第一批恒星形成时，它们强烈的紫外线“再电离”了宇宙，从大部分氢原子中剥离了电子。由此产生的富含电子的等离子体散射了穿过其中的 CMB 光子。这种散射印记在 CMB 的偏振中（光波在传播时振荡的方向）。第一批恒星形成得越早，它们产生的散射电子就越多，CMB 中产生的偏振信号就越强。WMAP 以及后来的普朗克卫星试图测量的正是这种偏振。
“WMAP 分析将再电离时间定为大爆炸后 4.2 亿年，这真是一个谜，”剑桥大学宇宙学家、普朗克合作组织负责人乔治·埃夫斯塔休说。“因为那时根本没有足够的恒星来如此迅速地再电离宇宙。”在 2006 年 WMAP 公布结果后，宇宙学家推动哈勃太空望远镜达到其观测极限，进行了多次深空巡天，以寻找支持该结果所需的早期恒星形成星系。巡天结果仅仅是没有找到足够多的足够早期的发光天体来支持 WMAP 的时间——在那个时代，似乎没有足够的星光来再电离宇宙。
然而，理论家们已经掌握了一些可能的解释，说明宇宙是如何如此迅速地被照亮的。有些人认为，可能存在大量哈勃望远镜无法看到的暗淡小星系。或者，另一些人说，第一批恒星是奇异的、短寿命的和超大质量的巨星，比我们的太阳亮得多，质量是太阳的数百甚至数千倍。这些想法尚未被证伪，但由于普朗克卫星修订的时间线，埃夫斯塔休说，“我们现在不需要任何超出我们已经看到的东西。”
米兰大学的普朗克合作者马可·贝尔萨内利说：“1.4 亿年的差异似乎不大，但它足以解释再电离，而无需早期恒星世代或其他奇异过程。”“普朗克卫星的结果表明，我们对宇宙历史这个关键时期的理解得到了很好的简化。”
普林斯顿大学的戴维·斯珀格尔是 WMAP 团队的前著名成员，他对此表示赞同。“这确实有助于加强标准宇宙学模型，这让人们的生活变得更轻松，”斯珀格尔说。他指出，普朗克卫星的最新结果实际上与 WMAP 早期的数据基本一致，尽管它们表明 WMAP 的测量结果受到了来自我们银河系中尘埃的偏振信号的污染。当使用普朗克卫星更灵敏的仪器提供的银河尘埃数据来校正 WMAP 的结果时，再电离的估计值也约为大爆炸后 5.6 亿年。此外，普朗克合作组织还进行了一次额外的检查，使用一种称为引力透镜的技术来搜寻 CMB 中宇宙早期有多么不均匀的证据。这种技术可以产生一个完全独立的再电离时间估计值。“引力透镜与偏振无关，这很重要，”埃夫斯塔休说。“然而，它给出的答案相同：5.6 亿年。”
更光明的未来
其他独立的验证已经在涌入，包括一项新的分析，该分析将普朗克卫星的最新约束与之前令人困惑的哈勃太空望远镜巡天结合起来。“我们的论文表明，早期恒星形成星系可能提供了足够的电离辐射来解释从普朗克卫星数据推断出的再电离时间和幅度，”亚利桑那大学的首席作者布兰特·罗伯逊说。结果不仅验证了普朗克卫星，而且暗示了美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜（旨在观测第一批恒星和星系）在 2018 年计划发射后可能会见证什么。罗伯逊说，普朗克卫星-哈勃望远镜的联合数据表明，韦伯太空望远镜在其观测的第一年就可能很容易看到大约五个不到 5 亿年的星系“立刻出现”。
“通过研究形成的第一批发光天体，韦伯太空望远镜和平方公里阵列等仪器希望看到并了解宇宙是如何从一无所有过渡到拥有恒星和星系的，”埃夫斯塔休说。“普朗克卫星的结果表明，弄清楚这一点会更容易。第一批发光天体形成得越晚越好，我们就有更多的机会看到它们。”
除了宇宙中第一批恒星何时形成的问题之外，普朗克卫星的数据可能仍然可以解决其他谜团——并揭示新的谜团。贝尔萨内利表示，黑暗时代较晚的结束“有利于简单的冷暗物质情景”，在这种情景中，质量大、移动缓慢且弱相互作用的粒子构成了大部分难以捉摸的未知物质，这些物质在宇宙中数量远超可见物质。其他替代解释，例如“热”情景，其中暗物质粒子以接近光速的分数速度呼啸而过，更难以与关于宇宙结构形成的年表的整体数据相协调。
普朗克卫星的最新数据似乎也削弱了最简单的宇宙暴胀模型的案例，宇宙暴胀是假定的原始宇宙在大爆炸后的最初瞬间加速膨胀。斯珀格尔说：“这些模型并没有完全被普朗克卫星排除，但情况不容乐观。”他指出，新的普朗克卫星数据最有趣的部分是它对早期宇宙中物质的“团块性”的暗示。测量这个可以帮助约束暗能量模型，暗能量是似乎正在推动宇宙当前加速膨胀的神秘力量。“正如普朗克卫星推断的那样，当时的宇宙看起来比我们观察星系团时看到的要团块得多，相差几个百分点。有三种可能的解释：也许 CMB 数据有问题......或者也许我们对星系团计数的解释有问题。最后一种可能性，也是最令人兴奋的可能性是，我们需要新的物理学！”
更多信息： 折纸天文台：韦伯太空望远镜幕后花絮 [预览] [https://sciam.cn/article/origami-observatory/]
宇宙中的第一批恒星 [预览] [https://sciam.cn/article/the-first-stars-in-the-universe-2004-09/]
非洲大陆望远镜阵列可能迎来天文学革命 [https://sciam.cn/article/continental-telescope-array-could-usher-astronomy-revolution-in-africa/]