導讀：
從現今人類對於宇宙的認識來看，宇宙的起點源於一次大爆炸，並經歷了成長的“兒童”時期和星光璀璨的“少年”時期，進而來到了如今相對平靜的階段。然而，就目前我們的技術手段來看，這些模糊的時限遠未滿足我們對於宇宙形成、演化認識的預期。一些根本的問題仍懸而未解。
本期《天問》專欄，帶您一起回顧宇宙演化的各個時期，嘗試撥開層層迷霧，一探宇宙形成演化的全景。
撰文 | 蔡崢（加州大學聖克魯茲分校）
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無限掌中置，剎那成永恆
剎那爆炸的宇宙（圖1），在誕生時是熾熱且緻密的。質子、電子等基本粒子形成一鍋“滾燙的湯”。隨著宇宙的膨脹，這鍋湯逐漸變冷。到了大爆炸後38萬年，電子被質子俘獲，形成穩定的中性氫原子，多餘的能量則轉化成紫外光。這些紫外光又在漫長的宇宙膨脹中，逐漸被拉長到微波波段，成為今天我們觀測到的宇宙微波背景輻射。
這時的宇宙處於黑暗時代，其中沒有一絲星光。物質卻摸著黑開始了“城鎮化”進程：在引力的作用下，聚集到密度稍高的區域。逐漸地，物質在大尺度上，排列成“纖維網”這種穩定的結構。如果我們將今天的宇宙看成是個百歲老人，那麼當時的它就還是幾個月的嬰兒。這時，宇宙中主導的元素是最基本的中性氫。
►圖1：宇宙演化模型圖，圖片來源：日本國立天文臺（筆者略作修改、註釋）
“第一代”星系——宇宙的“兒童”階段
1.第一縷星光從何而來？
在宇宙的結構形成中，小結構形成較快，大結構形成較慢。正如某些區域在人口密度高時，自然形成村落一樣，隨著時間推移，宇宙中逐步形成了小的暗物質暈。一些暗暈中集中了大量原初分子云，在引力的作用下，這些雲不堪重負、塌縮發生核反應，點燃了第一代恆星（圖2）。第一縷星火迅速燎原，開始電離周圍的氫。然而，第一代恆星缺金屬、冷卻難、溫度高、質量大、消耗快，很快以超新星爆炸的形式犧牲，產生出很多生命所需的元素（如碳、氮、氧、鐵等）。宇宙中的金屬含量也迅速增加。
從黑暗時代到第一代恆星形成，期間發生了什麼？由於科研經費的限制，我們目前尚無實測的限制，主要依靠理論結合計算機模擬加以瞭解。這一過程被認為發生在大爆炸後一億年以內，如果今天的宇宙年齡相當於百歲，當時的宇宙則還是不滿一歲的嬰兒。未來，利用中性氫的21釐米譜線，結合近中紅外波段等觀測，人們將有望直接對第一代恆星的形成有一個完整的實測描述。
2.致敬C羅的疑似第一代星系事件
就像村落多的地方會形成小縣城一樣，第一代恆星也會參與組成第一代星系，這些星系體積是銀河系的萬分之一或更小。2015年，有天文學家宣佈在宇宙學紅移7（距今130光年遠，宇宙學紅移值越大，距離越遠）的一個星系中發現大量第一代恆星形成的信號。為致敬球衣號碼正好是7號的球星C羅，他們將這個星系命名為CR7[1]。
但是在去年，日本天文學家對該結果進行了檢驗，發現其中最關鍵的氦發射線信號也許在統計上並不成立。這基本宣告了目前仍沒有得到對第一代星系的直接認證[2]。但這一事件還是燃起了科學家對第一代星系的廣泛討論，下一代詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）也將第一代星系列為重要探測目標。
►圖2：藝術家筆下的第一代恆星假想圖。第一代恆星沒有金屬元素，質量、個頭都比太陽大很多。圖片來源：N.R.Fuller（National Science Foundation）
3.智利亞毫米波望遠鏡ALMA探測到的最遠星光
2012年，天文學家根據哈勃望遠鏡拍攝的圖像指出，圖3所示星系的光可能是從宇宙早期（大爆炸後約2.5億年）傳來的[3]。最近，利用位於智利的亞毫米波望遠鏡 ALMA（圖4），天文學家成功利用氧發射線，將人類光譜認證了這個星系[4]，將人類光譜認證的最遠星系記錄推到了大爆炸後僅2.5億年（紅移為9，紅移與宇宙年齡關係參見圖1）。這一發現同時表明，一些人們認為的很早期的星系可能已富含金屬元素！
►圖3：這是目前認證最遠星系的圖像，星光來源於宇宙大爆炸後的2.5億年[3,4]。
►圖4：位於智利海拔5000米高原上的世界最強大亞毫米波望遠鏡——ALMA，圖片來源：ESO
璀璨星光——“少年”時期的宇宙
1.宇宙的大尺度結構形成（繁榮的宇宙城）
在大爆炸後十億年到三十億年間（宇宙學紅移2—5，宇宙進入“少年”時代），宇宙的恆星形成變快，黑洞活動增強，宇宙中的元素也越來越豐富，大尺度結構逐漸形成，並越發清晰地展現出來（如圖5、圖6）。此時的宇宙最為星光璀璨。
宇宙在大尺度上的結構與我們的城市幾乎完美對應：城市之間由道路相連，越寬的高速公路交匯點對應越大的城市。在空間超過幾億光年的大尺度上，星系聚在一起形成“超大城市”（原初星系團）、“超大荒野”（宇宙大空洞）、“道路”（宇宙網、星際介質）。 不同星系在宇宙“城市”間的交流併合也趨於頻繁，甚至在道路周圍可以直接形成一些“小村落”（小星系）。有意思的是，纖維狀宇宙網的形成其實和游泳池“纖維網”等許多生活中的現象有異曲同工之妙（圖5，另見Zaldovich的透鏡和文獻[11]）。
►圖5左圖：在宇宙原初隨機擾動下演化形成的大尺度結構宇宙網（Millenium Simulaiton）；右圖：隨機擾動下的游泳池纖維網，此圖也可叫做Zeldovich的透鏡，與宇宙網的成因有異曲同工之妙（見[11]）。
►圖6：光主導圖像和質量主導圖像對比 ，星系之間由宇宙網相連接，圖片源自引文[6]，略有改動。
2.環境對星系演化的重要作用
隨著研究的深入，科學家們意識到：星系與周圍環境是一個整體，只計入恆星部分並不能全面理解星系（圖6和圖7）。星系的暗物質暈以及更大尺度的宇宙網中存在著海量氣體——這些氣體有的是宇宙網供給星系的，有些是星系反饋給宇宙網的（圖8）——它們很大程度地影響著星系、甚至大尺度結構的形成[9]。
然而，在目前的探測水平下，對宇宙網的直接觀測仍然很難，我們更多地只能通過數值模擬和間接的觀測手段瞭解星際氣體（如圖6）。不過這一狀況在最近得到了改善：科學家找到了遠超暗物質暈尺度的超大星雲（圖7）。這可能是對宇宙網直接成像的早期嘗試。未來，在“宇宙網探測器（KCWI）”、“多單元光譜探索者（MUSE）”等新一代成像光譜儀幫助下（圖10），我們有望在更大尺度上對宇宙網進行直接成像，揭示更多星系與結構形成之謎。
►圖7：左圖為藝術家和科學家合作的星系與環境生態系統。右圖為觀測實例: 遠超暗物質暈尺度的超大星雲，這樣的大星雲可能是我們對宇宙網直接成像的早期嘗試[5]。
►圖8：最新的數值模擬[10]顯示，隨著時間的推移（從左到右），金屬（不同顏色）會被星系逐漸拋出到宇宙中，星系對周邊環境加熱，宇宙中的金屬含量增加。
歸於寧靜——今日的宇宙“黃昏”
大爆炸40億年以後到今天，宇宙開始形成“特大城市群”（幾億光年尺度的宇宙“長城”結構）。但這些特大城市群的星光卻沒有原來璀璨。原因是很多星系停止了劇烈的恆星形成，顏色開始變得“夕陽紅”。星系周圍環境被進一步加熱，有很多物質在光學波段神秘地消失了（圖9）。
對此，科學界比較認可的一種理論解釋是：這些物質被加熱到了之前鮮有探測的紫外和X射線波段（圖9）。科學家們也有計劃探索這一時期的物理過程：利用更靈敏的高能光子探測手段，把這些“丟失”的物質找回來。
在更大的宇宙尺度上，物質密度進一步降低。一種神秘的量子真空能量（暗能量）逐漸佔據主導地位，驅動了宇宙加速膨脹。但至於暗能量如何演化，未來宇宙命運如何，一切還尚未得知。
►圖9：我們銀河系的巨大暗物質暈裡可能蘊藏著大量釋放X-射線的熱氣體，這些氣體在光學不容易被探測。圖片修改自引文[7]中的圖。
拓展
突破對早期宇宙的認知
——未來設備和技術
· 未來圖像巡天將遠遠超過光譜巡天
天文學在下一個十年會進入一個新的黃金時期，國際上規劃的新巡天（如LSST, Euclid, SKA等）將使人們在光學、紅外、射電探測的深度和廣度上，遠超當前水平。圖像數據量將超過光譜數據量三、四個數量級之多。然而，目前尚無為全新一代圖像巡天做後續光譜認證的多目標光譜儀。在此背景下，可考慮佈局配合這些巡天的光譜巡天望遠鏡（可見[8]）。光譜也可深入瞭解下一代巡天所發現的大量新天體更精確的三維位置及物理本質（如圖11），這些都將讓我們對宇宙的認識產生很大推動作用。
· 2-10微米大視場近中紅外波段的空白
隨著宇宙探索的腳步不斷向更深處邁進，人們渴望對更早期的宇宙進行普查。2-10微米近中紅外探測，將讓人們對早期宇宙認知產生突破性進展：例如直接確認第一代恆星、第一代星系形成，利用早期宇宙的星系團給予宇宙學新的重要檢驗等。
目前，美國、歐洲的6.5米詹姆斯-韋伯太空望遠鏡雖覆蓋近中紅外波段，但視場極小，宇宙學普查能力弱。未來美歐的WFIRST, Euclid太空望遠鏡均具備大視場能力，然而只能覆蓋2微米以下波段。日本SPICA望遠鏡主要覆蓋波長在10微米以上的中遠紅外、亞毫米波段，但距離它上天還遙遙無期。
所以，大視場2-10微米的探測在未來20年預期處於空白。同時，這個波段對低暗電流（低於1e-/pixel/s）的基礎紅外探測器產業將產生很大推動作用（注：我國目前紅外探測器暗電流與美國相比差距還很大，紅外探測器是軍民兩用極重要的基礎技術之一）。
►圖10：安裝歐洲8.2米望遠鏡的成像光譜儀MUSE，它可對星系及環境進行全面普查，是目前光學探測靈敏度最高的儀器之一。
►圖11：筆者利用大雙筒望遠鏡（LBT）得到的紅外光譜數據實例。天文探測信號常常比背景低幾個數量級。天文對低信噪比信號處理要求高，方法豐富。相關技術可應用於需要低信噪比探測的其他軍民等學科。天文學可與這些學科深入融合，共同發展進步。
共同解開宇宙之謎的展望
由於過去二十年的全波段大型觀測設備，及理論、數值模擬的迅速發展 ，人類對於早期宇宙已有了初步的認識。但我們只是窺見了早期宇宙極小的部分，尚屬冰山很小的一角。巨大而極豐富的寶藏還在水面以下。
現今來看，我們對宇宙的認知還遠遠不夠，對很多關鍵問題更是一無所知。比如宇宙第一代恆星、星系何時形成？最早的星系團如何形成、演化？新觀測是否與大爆炸宇宙學等現有宇宙學理論模型符合？星際介質中氣體的金屬含量何時、如何升高？其狀態、溫度、動力學如何影響星系演化？如何探測更大尺度上的宇宙網，它們的狀態、分佈是否與我們預期一致……這些皆是未解之謎。國際上已就這些前沿問題佈局了力量和設備，但仍遺留了一些空白的重要參數空間。我們仍可在這些空白之處進行準備，與國際同行一道，儘早解答這些未解之謎，共同推進人類對於宇宙的認識。
蔡崢，天體物理學博士。2008年本科畢業於中國科學技術大學，2015年獲亞利桑那大學博士學位。目前為加州大學聖克魯茲分校Hubble Fellow，研究方向為高紅移星系、星際介質，並深入參與國際三十米望遠鏡寬視場光譜儀的預研。
參考文獻：
[1]. Sobral, D. 2015; ApJ, 808, 19S
[2]. Shibuya, T. 2018, PASJ, 70S, 15S
[3]. Zheng, W. 2012, Nature, 489, 406-408
[4]. Takuya H. et al. 2018 Nature 557, 392-395
[5]. Cai Z. et al. 2017, ApJ, 837, 71
[6]. Cantalupo et al. 2014, Nature, 506, 63C
[7]. Vavra, J. 2013, arXiv: 1304.0833
[8]. A report on the Kavli Futures Symposium organized by NOAO and LSST https://arxiv.org/pdf/1610.01661v1.pdf
[9]. Cai, Z. et al. 2017; ApJ; 839; 131
[10]. Schaye, J. et al. 2015, MNRAS 446 521
[11]. Shandarin & Zeldovich, Review of Modern Physics, 1989 Vol. 61
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