回望更早的宇宙:宇宙的邊緣是什麼樣子?

盡管天文學家已經對宇宙有了很深入的了解,但仍有許多問題沒有得到答案。我們不知道宇宙是否會永遠存在;我們也不知道宇宙就範圍而言是有限的還是無限的,我們只知道,宇宙的物理尺寸一定大於我們所能觀察到的部分;我們更不知道我們所處的宇宙是否包含了所有存在的東西,抑或只是構成多元宇宙的眾多宇宙之一。我們同樣不知道宇宙的最早期階段——大爆炸的第一個剎那——發生了什麼,我們沒有找到必要的證據去得出一個可靠的結論。

回望更早的宇宙:宇宙的邊緣是什麼樣子?

在鄰近的宇宙,我們看到的恆星和星系與太陽和銀河系很像。但當我們看得更遠時,會發現宇宙在遙遠過去的樣子:結構不那麼嚴密、溫度更高、更年輕、演化程度更低。在很多方面,我們能看到的宇宙歷史是有限的。

但有一件事我們是可以肯定的,那就是宇宙存在着邊緣:不是在空間上,而是在時間上。這是因為,大爆炸發生在過去已知的有限時間內,即138億年前,不確定性范圍小於1%,即使在光速這一終極宇宙速度的極限下,我們所能看到的最遠距離也是有限的,宇宙存在一個我們能了解其距離的「邊緣」,也許我們仍需梳理一遍時間線,看得越遠,能看到的時間便越早。

早期的宇宙

如果你厭倦了大爆炸理論,想要對宇宙學做出自己的解釋,那很好,但你必須弄清楚一些問題,比如宇宙的膨脹,以及宇宙初期圖像中的斑點。換句話說,你必須找到比暴脹理論更好的解釋。

這看起來很簡單,其實不然。宇宙早期的壓強、密度和溫度差異已經困擾了許多其他的宇宙理論,包括最流行的火宇宙(ekpyrotic universe)理論。這是一種古老的哲學思想,「ekpyrotic」這個詞在希臘語中的意思是「大火」。古希臘斯多葛學派認為宇宙就是一團大火,處在誕生、冷卻和再生的永恆循環中。

在火宇宙模型中,宇宙不斷循環,而我們目前正處於「爆炸」階段,最終會(以某種方式)慢下來,停止,逆轉,並壓縮回到難以置信的高溫和高壓狀態。然後,宇宙將(以某種方式)反彈回來,並在新的大爆炸階段重新點燃。

問題在於,我們很難在火宇宙中復制宇宙早期圖像中的斑點和斑塊。當我們試圖拼湊一些模糊的物理學觀點來解釋「擠壓—反彈—爆炸」的循環時(這里要強調「模糊」,因為已知的物理學還無法理解過程中涉及的一些能量和尺度),所有的東西都過於平坦。沒有凸起,沒有擺動,也沒有斑點,更沒有溫度、壓強和密度的差別。

這不僅僅意味着這些理論與早期宇宙的觀測結果不符,也意味着這些宇宙理論不能解釋一個充滿星系、恆星甚至人類的宇宙。

這有點令人失望。

早期的星系

回望更早的宇宙:宇宙的邊緣是什麼樣子?

藝術家對可觀測宇宙的對數尺度概念圖。星系讓位於外圍的大尺度結構,以及大爆炸產生的熱而稠密的等離子體。這個「邊緣」只是時間上的邊緣。

今天,我們看到的宇宙是大爆炸發生138億年後的樣子。我們看到的大多數星系聚集在一起,形成星系群(如本星系群)和星系團(如室女座星系團),它們被所謂的「空洞」分隔開來。這些星系群中既有螺旋星系,也有橢圓星系,其中類似銀河系的典型星系平均每年可以形成1顆像太陽一樣的新恆星。

此外,宇宙中的常規物質主要由氫和氦組成,但還有大約1%到2%的常規物質由周期表中的重元素組成,使得像地球這樣的岩石行星得以形成,並產生復雜的,甚至有機的化學反應。盡管星系之間有很多差別,比如一些星系十分活躍,恆星不斷形成;一些星系具有活躍的黑洞,而另一些卻幾十億年都沒有任何新的恆星形成,不一而足,但通常而言,我們所看到的星系都十分龐大,經過了漫長的演變而聚集在一起。

回望更早的宇宙:宇宙的邊緣是什麼樣子?

宇宙大尺度結構的演化,從早期的均勻狀態到我們今天所知的聚集成團的宇宙。如果改變現今宇宙所擁有的物質,那麼暗物質的種類和數量將會組成一個完全不同的宇宙。請注意這樣一個事實:在所有情況下,小規模結構都出現在早期,而大規模結構直到很久以後才出現。

然而,如果我們向更遠的宇宙望去,也就是回望更早的宇宙,就會看到宇宙是如何成長成現在這樣的。在更遠的宇宙中,我們會發現星系團的規模稍微小一些,也稍微均勻一些,尤其是在更大的尺度上。我們會看到星系的質量更低,演變特徵也更少,螺旋星系更多,橢圓星系更少。平均而言,這些星系中藍色恆星的比例更大,其過往的恆星形成率也更高。盡管星系之間的空間變小,但早期星系群和星系團的整體質量也變小了。

在這幅宇宙的圖景中,今天的星系是由規模更小、質量更低的星系在宇宙的時間尺度上合並而成的,並逐漸發展成為宇宙中最龐大的結構之一。與如今的星系相比,早期宇宙中星系的特點包括以下幾個方面:

•規模較小;

•質量較低;

•聚集得更加緊密;

•數量更多;

•呈現藍色;

•含有更多氣體;

•恆星形成速率較高;

•重元素的比例較少。

回望更早的宇宙:宇宙的邊緣是什麼樣子?

可以與現在的銀河系相媲美的星系有很多,但與現今看到的星系相比,與銀河系相似的更年輕的星系本質上更小、更藍、更混亂、氣體更豐富。對於第一批星系來說,這種效應非常極端。在我們所能觀測到的宇宙中,星系就遵循着這些規則。

望向更早宇宙

但是,隨着我們看向越來越遠的宇宙,走向越來越早的時間,這種逐漸變化的圖景就突然開始急速轉變。當我們看向目前距離我們約190億光年的地方時,對應的便是大爆炸僅30億年之後的宇宙;我們會看到,宇宙的恆星形成速率達到了最大值,大約是今天新恆星形成速率的20到30倍。相當一部分超大質量黑洞這個時候都很活躍,由於周圍物質的消耗,它們釋放出大量的粒子和輻射。

在過去的大約110億年里,宇宙的演化速度一直在減慢。當然,引力繼續使宇宙結構坍縮,但暗能量開始與其對抗,並在60億年前主宰了宇宙的膨脹。新的恆星繼續形成,但恆星形成的高峰已經是遙遠的過去。超大質量黑洞繼續增長,但最「明亮」的時候早已過去。與早期相比,更多的黑洞如今已變得暗淡和不活躍。

回望更早的宇宙:宇宙的邊緣是什麼樣子?

費米太空望遠鏡團隊重建了宇宙的恆星形成歷史,並與文獻中其他替代方法的數據點進行了比較。天文學家通過許多不同的測量方法獲得了連貫的結果,而費米望遠鏡的數據代表了這段歷史中迄今為止最准確、最全面的部分。

當我們離開地球越來越遠,越來越接近由大爆炸開端所定義的「邊緣」時,會開始看到更顯著的變化。190億光年的距離對應於宇宙只有30億歲的時候,是恆星形成的高峰期,此時宇宙中可能有0.3%到0.5%的重元素。

當我們靠近270億光年之外的距離時,對應的宇宙年齡只有10億年。此時的恆星結構要小得多,因為新恆星形成的速率大約只有後來峰值時的四分之一。由重元素組成的常規物質的比例急劇下降:在10億歲時降至0.1%,在5億歲左右時降至僅為0.01%。在這樣的早期環境中,岩石行星可能無法形成。

在這個距離上,不僅宇宙微波背景輻射會更強烈——應該是紅外波段而不是微波波段——而且宇宙中的每個星系都應該是年輕的,充滿了年輕的恆星;橢圓星系在如此早期的宇宙中可能還沒有出現。

回望更早的宇宙:宇宙的邊緣是什麼樣子?

宇宙歷史的示意圖,強調了再電離時期。在恆星或星系形成之前,宇宙中充滿了遮光的中性原子。雖然大部分宇宙直到5億5千萬年後才重新電離,但少數區域在更早的時間就已大部分重新電離。

想要看到比這更早期的宇宙,確實突破了人類現有儀器的極限,但是凱克望遠鏡、斯皮策空間望遠鏡和哈勃太空望遠鏡等已經開始將我們帶到那里。一旦到達大約290億光年或更遠的距離——對應的宇宙年齡為7億到8億年——我們就開始進入宇宙的第一個「邊緣」:透明的邊緣。

今天我們理所當然地認為,這個空間對可見光是透明的,但這只是因為其中沒有充滿阻擋光的物質,比如塵埃或中性氣體。但在早期,在足夠多的恆星形成之前,宇宙充滿了中性氣體,而且這些氣體未被恆星的紫外線輻射完全電離。結果,我們看到的很多光都被這些中性原子遮蔽了,只有當足夠多的恆星形成後,宇宙才會完全電離。

這就是紅外望遠鏡,比如美國國家航空航天局(NASA)推出的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡,對於研究早期宇宙至關重要的部分原因。藉助這種望遠鏡,我們就可以看到處於熟悉波長的「邊緣」。

回望更早的宇宙:宇宙的邊緣是什麼樣子?

隨着我們對宇宙的探索越來越深入,我們在太空中看得越來越遠,我們所能追溯的時間也越來越早。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將帶領我們直接進入目前的觀測設備無法比擬的宇宙深處,揭示哈勃太空望遠鏡無法看到的超遠星光。

在310億光年的距離,相當於大爆炸後的5.5億年,我們到達了所謂的再電離邊緣:在這里,宇宙的大部分對可見光幾乎是透明的。再電離是一個漸進的過程,並不均勻;在很多方面,這就像一堵參差不齊、充滿孔洞的牆。一些地方的再電離發生較早,哈勃太空望遠鏡正是由此發現了迄今為止最遙遠的星系——位於320億光年之外,僅僅在大爆炸之後的4.07億年。但其他地區仍然部分保持中性,直到近10億年過去後才完全電離。

宇宙會坍縮成奇點嗎?

答案如果是肯定的話,宇宙或許會一直處於一個永無止境的大反彈循環中;在這個循環中,所有物質都通過大爆炸,從一個奇點冒出來,接着是大擠壓,將所有的物質再次吞沒,恢復到宇宙剛誕生時那個無比緻密的狀態。宇宙不斷地重復大爆炸和大擠壓的過程。

然而,這些理論從未在數學上真正解決宇宙是否處於循環的問題。換言之,宇宙也可能只有一個開端和一個結局。不過最近,一組理論物理學家利用所謂的弦理論,試圖解決這些早期宇宙的基本謎題。他們的研究結果可能會推動我們從零開始構建宇宙,從而為宇宙重復存在的理論提供支持。

如果你想建立自己的宇宙理論模型,請自由發揮你的想象力。沒有人能阻止你創造自己的宇宙觀。但是,如果你想進一步了解宇宙的形成,就必須遵守一定的規則。這意味着,無論你的宇宙模型包含什麼,你都必須面對一些冰冷的、難以觀察的證據。

例如,我們知道自己就生活在一個不斷膨脹的宇宙中,其中的星系和恆星正以越來越快的速度飛離地球。通過各種先進的技術,科學家們可以計算與我們不同距離的星系移動的速度。我們也已經有了宇宙誕生初期——大爆炸後約38萬年時——的圖像。現在宇宙的年齡約為138億年,當時的宇宙還處於「嬰兒」時期。

在這張宇宙誕生初期的圖片中,我們看到了一些有趣的模式。圖像中微小的斑點和斑塊,揭示了在年輕的宇宙中存在着輕微的溫度和壓力差異。

我們可以用大爆炸宇宙學,以及所謂的暴脹理論來解釋所有這些觀測結果。科學家認為,暴脹過程發生在宇宙誕生不到一秒鍾的時候。在這一過程中(過程本身只持續了極短時間),宇宙突然間變得非常巨大,並使微小的量子漲落也放大到宇宙尺度。這些量子漲落會逐漸增大,因為密度稍高的斑塊引力略強,使其變得更大。隨着時間的推移,這些量子漲落變得足夠大,以至於在宇宙的幼年圖像中以斑點的形式留下了印記(數十億年後,又出現了恆星和星系之類的東西,但那是另一回事了)。

S-膜拯救了一切

在過去幾年中,火宇宙理論的支持者試圖匹配暴脹理論所解釋的觀測結果。在最近的一次嘗試中,為了克服前述的障礙,使火宇宙理論至少在某種程度上得到尊重,一個研究團隊使用的正是S膜(S-brane)。

你應該聽說過弦理論,它是理論物理學的一支,結合了量子力學和廣義相對論。在弦理論的宇宙中,每個粒子都是微小的、振動的弦。幾年前,理論物理學家們意識到,弦不一定是一維的。他們將多維的弦就稱為「膜」(brane)。

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大爆炸和宇宙膨脹的圖解。對於宇宙的最終結局,弦理論或許能為我們提供線索

至於「S-膜」,弦理論中的大多數膜都可以在時空中自由地漫遊,但是假想的S-膜只能在非常特殊的條件下瞬間存在。

在這個新的火宇宙理論場景中,當宇宙在其最小、最密的狀態下,S-膜出現,使一個充滿物質和輻射的宇宙再次擴張(一場大爆炸),與此同時,溫度和壓力發生了微小變化(導致宇宙初期圖像中出現眾所周知的斑點)。這便是加拿大麥吉爾大學物理學系三位物理學家所提出的新觀點。他們的研究結果於7月發表在預印本網站arXiv上,還有待同行評審。

這個觀點正確嗎?目前還無法知曉。近年來,弦理論的基礎似乎顯得十分薄弱,因為在大型強子對撞機上進行的實驗中一直未能找到任何關於超對稱理論的線索,而超對稱理論是弦理論的關鍵基礎。另一方面,S-膜的概念本身在弦理論界還存在爭議,因為研究者並不確切地知道膜是否會被允許在一個時刻存在。

還有一個事實是,正如我們所知,宇宙不僅在膨脹,而且是在加速膨脹,沒有任何跡象表明它在短期內會減速(更別說坍縮了)。要弄清楚有什麼因素會導致宇宙膨脹「剎車並掉頭」,目前看來還十分棘手。

盡管如此,火宇宙理論(和其他理論)的觀點還是值得探索的,因為宇宙的最初時刻為現代物理學提出了一些最令人困惑和最具挑戰性的問題。

觀測極限以外的邊緣

盡管如此,天文學家認為,在我們現有儀器所能觀測到的極限之外,肯定還存在着其他恆星和星系。在目前所發現的最遙遠的星系中,都可以找到證據,表明前幾代恆星曾在其中活躍過,而且它們已經相當明亮和巨大。在目前望遠鏡所能觀測到的極限之外,還可以測量恆星形成的間接標志,包括氫原子本身發出的光。這一過程只發生在恆星形成期間,氫原子發生電離,自由電子與電離的原子核重組,然後釋放出光。

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圖中巨大的「凹陷」是Bowman等(2018)最新研究的直接結果,顯示了宇宙在1.8億年到2.6億年之間發出的21厘米紅移信號。天文學家認為,這與宇宙中第一波恆星和星系的啟動相對應。

目前,我們只能通過這種早期恆星形成的間接特徵,推測年輕的星系早在大爆炸後的1.8至2.6億年時就已存在。這些原始星系形成了足夠多的恆星,使我們能在數據中看到它們存在的最初跡象,對應的距離是340億到360億光年之間。盡管目前的望遠鏡還不能直接觀測到這些星系,但許多天文學家認為,詹姆斯·韋伯望遠鏡將會擔此重任。

當然,仍然可能有光源——以及宇宙中最初的電離區域——可以追溯到更早的時期。如果我們能看到這麼遠的距離,那麼最早的恆星應該在380億到400億光年之間,相當於大爆炸後5000萬到1億年的時間。

在此之前,宇宙完全是黑暗的,充滿了中性原子,以及大爆炸的輻射余暉。

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早期宇宙的過密區域會隨着時間的推移不斷增長,但它們的增長受到了限制,一方面是最初過密區域較小,另一方面是仍然存在着高能量輻射,阻止了結構的更快增長。形成第一顆恆星需要幾億到幾億年的時間,但在此之前,物質團塊就已經存在了。

再往前追溯,還有一些其他的「邊界」值得關注。在440億光年之外,來自大爆炸的輻射非常炙熱,以至於肉眼就能看見;如果那里有一雙人類眼睛的話,就能看到輻射開始發出紅光,類似於赤熱的表面。這對應着大爆炸300萬年後的一段時間。

如果到達454億光年以外,我們就會來到大爆炸38萬年後的一個時間點。此時的溫度極高,以至於無法穩定地維持中性原子。這就是大爆炸余輝——宇宙微波背景(cosmic microwave background,簡稱CMB)——的來源。普朗克衛星拍攝的那張著名的熱點(紅色)和冷點(藍色)圖片,向我們揭示了這些輻射的來源。

在那之前,在460億光年之外,我們進入了一切的最初階段:大爆炸的超高能量狀態。此時誕生了宇宙的第一批原子核、質子和中子,甚至產生了第一批穩定的物質形式。在這一階段,一切物質只能被描述為宇宙的「原始湯」,即存在的每一個粒子和反粒子都可以由純能量創造出來。

回望更早的宇宙:宇宙的邊緣是什麼樣子?

宇宙大爆炸的余輝——宇宙微波背景——並不是均勻的,有着微小的缺陷和幾百微開氏度的溫度波動。在引力增長之後,這種不均勻在後來起到了重要作用,但重要的是要記住,早期的宇宙,以及今天的大尺度宇宙,只在小於0.01%的水平上是不均勻的。普朗克衛星在探測和測量這些波動方面有着比以往任何時候都要高的精度。

然而,在這種高能量的原始湯之外還有什麼,仍然是一個謎。盡管許多關於宇宙膨脹的預言都被間接地證實了,但天文學家並沒有直接的證據表明在最早期的這些階段到底發生了什麼。對人類而言,宇宙的邊緣是獨一無二的;我們可以看到138億年前在各個方向上的宇宙,這種情況取決於觀察者的時空位置。

宇宙具有許多邊緣,包括透明的邊緣、恆星和星系的邊緣、中性原子的邊緣,以及大爆炸時形成的宇宙視界的邊緣。我們可以用望遠鏡觀察到盡可能遠的地方,但總會有一個基本的極限。即使空間本身是無限的,但大爆炸之後的時間並不是無限的。不管未來能看到多遠的宇宙,總會有一個我們永遠看不到過去的「邊緣」。

撰寫:Ethan Siegel;Paul Sutter

來源:Forbes Science;Live Science

翻譯:任天

來源:cnBeta