如果宇宙中沒有光，生物也就沒有眼睛，我們將永遠不會知道黑暗的存在。黑暗將會毫無意義。——c.s.劉易斯
我們知道微波背景輻射（CMB）發生在宇宙年齡只有38萬年的時候，此時大爆炸殘留的輻射（光子）向任何方向同時發出，均勻的充滿了整個宇宙。但在CMB之後的宇宙經歷了神秘的“黑暗時代”！這個時期宇宙中沒有恆星、星系，只有原始的中性氣體雲。因此這個時期沒有所謂的可見光。
今天我們就瞭解下，這個時期引力對宇宙物質結構的影響；還有第一批恆星，星系和超大質量黑洞的形成？以及對天文學至關重要的21裡面線！
宇宙的“黑暗時代”
今天的宇宙從小尺度到大尺度充滿了各種各樣的結構，包括重元素、有機分子、衛星、行星和生命。在更大的尺度上，宇宙還有一些可以發光的結構，包括恆星、星團、星系、星系團、超新星、類星體和浩瀚的宇宙網絡。實際上，在任何方向，任何空間位置，我們都會發現大量的發光物體。它們的數量多少似乎只受限於我們望遠鏡的口徑和曝光時長的限制。
如果我們在宇宙中追尋所能看到的最古老、最遙遠的東西，就會發現一個朝四面八方發出光子的輻射面：宇宙微波背景。
回到宇宙的早期階段，也就是熱大爆炸的時候，此時的宇宙中充滿了一切能從能量上產生的任何粒子，當然這就包含了目前已知和未知的粒子：光子、物質、反物質，以及暗物質粒子以及一些神秘消失的奇異粒子。隨著宇宙年齡的增長，空間也在不斷的膨脹，一直持續到了今天。當宇宙膨脹時，它也會冷卻，因為光子的能量與它的波長成反比，而膨脹的宇宙會拉伸光子的波長，使得光子能量降低。
膨脹降溫意味著，宇宙在某一時刻：
- 變得足夠冷，物質/反物質對的自發產生過程逐漸停止，這就意味著所有的反物質將湮滅消失，
- 變得足夠冷，質子和中子可以在不被高能輻射立即炸開的情況下穩定的組合成原子核，最終
- 變得足夠冷，中性原子也可以穩定地形成（上一步形成的原子核可以和電子穩定的結合在一起）而不被光子重新電離。
最後一步非常重要，因為當宇宙經歷了這種轉變以後，它從不透明的離子化等離子體（光子頻繁的被電子散射）就變成了對光子透明的狀態（光子可以自由的沿直線傳播）。因為中性原子只會吸收特定能量的光子，大部分集中在可見光波段。
這就是最後散射面（CMB）的來源。當CMB第一次形成的時候，溫度大約是2940k，為紅色光。在未來300萬年左右的時間範圍內，CMB的光將會從可見光中紅移，變成純紅外光，最終，隨著時間的推移，光子的波長會被拉伸到微波波段。然而，從那一刻起（宇宙在38萬年前發出宇宙微波背景輻射）直到數千萬年後第一顆恆星的形成，宇宙中沒有任何新光產生，更沒有我們所能看到的可見光。這就是所謂的宇宙“黑暗時代”。
當恆星、星系和黑洞形成的時候就是黑暗時代結束的時候，宇宙進入了第二次光明的時代。如果大爆炸創造了第一束光，那麼在形成第一批恆星之前，不會有新的光源產生，直到宇宙5000到1億年之間才會發生新的光源。(你可能聽說過5.5億年這個數字，這是宇宙再電離時代，不是第一批恆星的形成時間！)
只有在第一批恆星形成之後，我們才有了第一個黑洞（來自恆星的死亡），第一個超大質量黑洞（來自黑洞的合併），第一個星系（來自許多星團的合併），以及後來更大的宇宙結構。
在宇宙微波背景輻射之後，在第一顆恆星出現之前的那段時間呢？宇宙發生了什麼？
對於這個問題，實際上有兩個肯定的答案。
- 引力的作用使得微小的，密度略高於平均密度3萬分之一區域，變成了宇宙中第一批恆星的位置。
這就是我們熟知的宇宙微波背景溫度波動！這些微小的密度漲落是由COBE、Boomerang、WMAP和普朗克等衛星發現的。我們在CMB中看到的那些“熱點”（紅色）實際上是宇宙中物質含量略低於平均水平的區域，而“冷點”（藍色）則是物質含量略高於平均水平的區域。為什麼？因為即使宇宙微波背景輻射發出時在任何地方都是一樣的，但當它們穿過物質越多的區域，在引力的作用下就會損失越多的能量。（引力紅移）
微波輻射中的這些冷點會隨著時間的推移而生長，吸引了越來越多的物質。隨著宇宙的膨脹物質變得越來越重要而輻射變得越來越不重要（物質開始掌管宇宙，一開始是輻射、物質、後來暗能量），這些區域的生長速度也隨之提高。
到宇宙1600萬年的時候，典型的高密度區域的大小是CMB形成時的10倍。也就是說，那些一開始密度高於平均密度1 / 30000的區域現在是1 / 3000；10000分之一的現在是1000分之一，而那些非常罕見的巨大溫度波動區域，在宇宙微波背景輻射時可能是500分之一，現在是50分之一，比平均密度高了2%。隨著時間的推移，這些密度高的區域繼續增長。最終會達到一個閾值，當一個密度過高的區域高於“平均”密度的68%時，就會達到非線性增長的程度，這意味著物質的引力積累會迅速加速。
高密度區域一旦跨過這個門檻，就會在未來形成恆星；從達到這個密度門檻到點亮恆星，這可能是一個不到1000萬年的過程。當然要想將宇宙中的中心原子重新電離就需要無數的恆星共同努力，這就是為什麼宇宙會經歷幾千萬甚至幾億年的“黑暗時代”。當黑暗時代（宇宙中唯一沒有可見光的時代）結束時，第二次光的時代將會來臨。
但是宇宙的黑暗時代並不是完全100%的黑暗。當然，周圍確實沒有可見光，但在宇宙形成恆星之前，確實產生了少量的光，這是因為宇宙中最簡單的結構之一：一個不起眼的、簡單的、中性原子。
- 這些中性原子（其中92%是氫原子）緩慢地釋放出波長為21釐米的光，其處在無線電波波段。
我們通常認為氫原子是一個質子和一個電子組成，而電子繞著質子旋轉。這是100年前尼爾斯·玻爾第一次提出的氫原子模型。質子和電子的一個特性在宇宙黑暗時代極其重要：它們都有一個自旋，或者一個固有的角動量。
為簡單起見，我們可以將質子和電子自旋的性質建模為“向上”或“向下”，因此，如果有一個質子和電子結合在一起，可以使它們自選方向對齊（統一向上或向下），或反對齊（一個向上、一個向下）。氫原子在形成的時候是完全隨機的，只取決於質子和電子第一次見面製造氫原子時的自旋狀態：最初大約50%是對齊的，50%是反對齊的。這兩種狀態之間有一個非常小的能量差，對應于波長為21釐米的光子的能量，或者5.9微電子伏特，但是量子力學定律禁止從高能（對齊）狀態到低能（反對齊）狀態的轉變。
只有通過一個極其罕見的過程，平均3.4×10^15秒（約1100萬年）的躍遷，一個排列整齊的原子才能變成一個反排列的原子，在這個過程中會釋放出一個波長為21釐米的光子。
這種“自旋翻轉轉變”由於壽命長，從未在實驗室中被觀測到，但在1951年以天文學的角度發現了這種轉變，這對於繪製可見光根本無法完成的特徵具有非常重要的作用。畢竟我們通過21釐米線第一次繪製出了銀河系的螺旋結構，因為由於星系中的塵埃，在可見光下不可能看到整個星系。這也是我們如何測量星系在恆星存在距離之外旋轉曲線的方法；21釐米的線對於天文學來說是一個非常強大的工具。
總結：“黑暗時代”並不黑暗
下一代天文學的目標之一是建造一架對21釐米線高度敏感的望遠鏡，希望能在黑暗時代繪製出宇宙的地圖，但這一目標從未實現過。它將使我們的視野超越可見的範圍，超越再電離時代，甚至超越詹姆斯·韋伯太空望遠鏡希望到達的第一顆恆星。
雖然黑暗時代的名字很貼切，但我們有機會通過最微弱、能量最低的光來照亮宇宙的黑暗時代。由於宇宙的紅移，目前光的波長將達到10米，這意味著我們需要有更強大的望遠鏡才能看到它。理想情況下,我國的FAST只要遠離地球的無線電干擾，身處在太空就可以觀察到宇宙的黑暗時代。
這就是宇宙黑暗時代的故事！
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