編譯 苦山

當(dāng)我們所知的宇宙從熾熱的大爆炸中誕生時(shí)，它充滿了各種各樣的高能粒子、反粒子和輻射量子：這就是宇宙的原始湯。隨著時(shí)間的推移，它膨脹又冷卻，最終冷卻到足以產(chǎn)生穩(wěn)定的中性原子，這時(shí)，時(shí)間已過去了幾十萬年。盡管在這段宇宙歷史的前1億年至前1.5億年內(nèi)很可能形成了最早的恒星和星系，但在長(zhǎng)達(dá)5.5億年內(nèi)，宇宙在很大程度上仍然是黑暗、對(duì)光不透明的，這是因?yàn)樵缧r(shí)候形成的中性原子極其擅長(zhǎng)阻擋光的光學(xué)波長(zhǎng)。只有通過漸進(jìn)、緩慢的宇宙再電離過程，宇宙才變得對(duì)光透明。

雖然像詹姆斯 ? 韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）這樣的新穎天文臺(tái)為我們提供了大量有關(guān)宇宙再電離的知識(shí)，但是有一個(gè)極好的類比可以幫助大家理解宇宙再電離，《塞爾達(dá)傳說》視頻游戲系列的最新作品《王國之淚》。在海拉魯王國的地下，是一片被稱為“地底”的黑暗、廣袤的地下區(qū)域，正是這些地底區(qū)域可以給我們?cè)S多啟發(fā)，讓我們搞懂宇宙再電離如何讓宇宙變得對(duì)可見光透明。

插圖左側(cè)展示了《塞爾達(dá)傳說：王國之淚》游戲中，主人公林克在海拉魯大陸地底的情景。遠(yuǎn)處可以看到一個(gè)未激活的破魔之根。插圖右側(cè)則描繪了膨脹宇宙中三個(gè)相鄰的恒星形成區(qū)域，它們的“再電離氣泡”為星光刺透宇宙清出了道路

盡管我們?nèi)晕蠢斫庥钪娉砷L(zhǎng)過程中的許多細(xì)節(jié)，但其“故事主線”已經(jīng)非常明確了。我們知道，它起初的狀態(tài)熾熱、致密、基本均勻，此后膨脹又冷卻，同時(shí)受到了引力的作用。有些區(qū)域誕生時(shí)的密度略高于宇宙平均密度，另一些區(qū)域誕生時(shí)的密度則低于平均。隨著宇宙演化，密度較大的區(qū)域逐漸吸引了越來越多的物質(zhì)，而密度較小的區(qū)域則將物質(zhì)輸送給了周圍密度相對(duì)更大的區(qū)域。隨著時(shí)間推移，這導(dǎo)致了大尺度結(jié)構(gòu)的形成：這些結(jié)構(gòu)最終會(huì)成為緊密結(jié)合在一起的恒星、星系、大型星系群和星系團(tuán)。

但當(dāng)?shù)谝慌阈菑臍怏w和物質(zhì)的坍縮中形成時(shí)，它們的四周都被大量的中性原子包圍著。盡管恒星本身在核心點(diǎn)燃核聚變后會(huì)發(fā)出大量的電離紫外線輻射，但周圍的中性物質(zhì)對(duì)它們來說實(shí)在是太多了，多到它們無法穿透周身的黑暗。光只能在恒星周圍產(chǎn)生一個(gè)有限距離的“電離氣泡”，其余所有的光都會(huì)被星際空間中的中性物質(zhì)吸收——或者像天文學(xué)家說的那樣，被消光。

與之類似的是，當(dāng)塞爾達(dá)系列的主人公林克第一次潛入海拉魯?shù)氐讜r(shí)，他發(fā)現(xiàn)自己正獨(dú)自站在一片黑暗的深淵中，看不到周圍的任何東西，伸手不見五指。當(dāng)然，地底有各種各樣的危險(xiǎn)（公平地說，這些危險(xiǎn)在早期宇宙中是不存在的），但林克有著對(duì)抗這種黑暗的關(guān)鍵工具。在游戲早期，林克能夠碰到并收集的物品之一叫作“光亮花的種子”，它們有兩種類型：普通型和巨大型。

一位藝術(shù)家對(duì)早期宇宙環(huán)境的印象，此時(shí)已有數(shù)萬億顆恒星形成、生存并消亡。盡管早期宇宙中存在光源，但光會(huì)被星際或星系間物質(zhì)迅速吸收，直到再電離完成。雖然詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡正在努力揭示這些早期恒星存在過的證據(jù)，但它只能揭示那些光線沒有完全被中性物質(zhì)消光的星系

類比而言，林克的初始位置可以被認(rèn)為是太空中首個(gè)引力密度大到足以形成恒星的區(qū)域，而光亮花的種子就像那第一批發(fā)光的大質(zhì)量恒星。雖然它們只能照亮林克周圍的一小段距離，但這是對(duì)于早期宇宙的一個(gè)完美類比，因?yàn)樽钃豕饩€的中性物質(zhì)使得小型電離氣泡外的一切都難以看清，而在氣泡內(nèi)，紫外線已將中性原子內(nèi)的電子踢走，令其不再阻擋光線。

在林克首次潛入地底并探索周圍環(huán)境后，他有兩條路可以走：他可以隨時(shí)離開地底，只需把自己傳送回海拉魯大陸（或天空）即可；或者，林克也可以繼續(xù)探索地底，直到遇見一個(gè)等待被激活的巨大光源：這個(gè)結(jié)構(gòu)被稱為破魔之根。

如果林克離開地底，等他稍后返回地底時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，他此前通過種植普通和巨大光亮花的種子照亮的每個(gè)區(qū)域都已重陷黑暗。之前種植的所有光亮花種子如今都消失了，不留一點(diǎn)痕跡。

對(duì)于宇宙中最早形成的恒星來說，這是一個(gè)完美的類比。如果有一片太空區(qū)域，在早期，區(qū)域內(nèi)有恒星首次形成，隨后，星體形成停止，那么周圍被電離的原子并不是被“吹”去了星系間的太空深淵，而是保持著電離狀態(tài)：原子核裸露，自由電子則漂浮在周圍。一旦大部分紫外線消失（也就是當(dāng)最富含紫外線、質(zhì)量最大、壽命最短的恒星耗盡燃料死去時(shí)），這些原子核和電子就會(huì)再次找到彼此，重新組合成中性原子。盡管區(qū)域內(nèi)應(yīng)該仍有長(zhǎng)壽恒星的較小“核心”存活，防止該區(qū)域完全變?yōu)橹行?，此前被照亮的大部分空間都會(huì)重陷黑暗，這和海拉魯?shù)氐椎那闆r一模一樣。

然而，林克也會(huì)在海拉魯?shù)氐装l(fā)現(xiàn)一種被稱為“破魔之根”的物品。當(dāng)你激活這些破魔之根時(shí)，它們會(huì)呈現(xiàn)為強(qiáng)大、持續(xù)的光源，照亮以它們所在位置為中心的大片黑暗區(qū)域。它取代了附近的任何光亮花種子，只是簡(jiǎn)單地將一個(gè)大致呈球形對(duì)稱的巨大區(qū)域內(nèi)的黑暗徹底驅(qū)散。林克甚至可以遠(yuǎn)離破魔之根、在黑暗中前進(jìn)相當(dāng)一段距離，卻仍然可以看到點(diǎn)亮的破魔之根。而且，當(dāng)林克傳送離開再返回時(shí)，他會(huì)發(fā)現(xiàn)破魔之根的光并未隨著時(shí)間的推移減弱。

這件事也能在宇宙學(xué)中找到類比：破魔之根就像一個(gè)耀眼且質(zhì)量巨大的早期星系，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，它不斷地生長(zhǎng)并形成明亮的恒星。這些明亮的光源會(huì)輸出橫跨整個(gè)電磁波譜范圍的大量輻射，包括紫外線，而且隨著時(shí)間的推移，這種輸出保持不減甚至增長(zhǎng)，人們認(rèn)為早期宇宙中許多的恒星形成區(qū)域就是如此。這最終在它們周圍形成了一個(gè)巨大、持續(xù)的電離物質(zhì)“氣泡”，并且這些氣泡在宇宙自身膨脹的同時(shí)也在繼續(xù)增長(zhǎng)。只有在這些氣泡的邊緣之外，才能找到更多阻擋光線的中性原子，與此同時(shí)，隨著宇宙不斷擴(kuò)張和演化，氣泡也繼續(xù)緩慢地向外蔓延。

但是，當(dāng)林克距離激活的破魔之根很遠(yuǎn)時(shí)回頭看它，會(huì)看到什么呢？在《王國之淚》中，有兩種方法可以找到答案：要么讓林克步行到遠(yuǎn)離破魔之根照亮的球形區(qū)域的地方，要么先離開地底，再從其他位置下地。如果你不看點(diǎn)亮的破魔之根，而是望向其他方位，那么你的視野就會(huì)不出意料地重陷黑暗。然而，當(dāng)林克回頭朝破魔之根的方向眺望時(shí)，取決于他和已激活的破魔之根之間的距離，他也許能夠辨認(rèn)出它的位置和形狀。他在黑暗中離它越遠(yuǎn)，它就越是顯得模糊黯淡、難以辨認(rèn)。

在阻擋光線的中性物質(zhì)仍然存在時(shí)，當(dāng)我們觀察超遠(yuǎn)宇宙中的天體，會(huì)注意到同樣的情況。盡管這些發(fā)光天體本身非常明亮，但我們看到它們的能力取決于我們視線方向上阻擋光線的中性物質(zhì)的濃度。目前發(fā)現(xiàn)的最為明亮、遙遠(yuǎn)的天體中，有一部分只能通過詹姆斯 ? 韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到，因?yàn)樗诩t外觀測(cè)方面做了優(yōu)化，但是另一些天體仍然在我們強(qiáng)大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（如哈勃望遠(yuǎn)鏡）的觀測(cè)范圍之內(nèi)。這種阻擋光線的中性物質(zhì)只能吸收部分光線，因此，決定消光程度的是發(fā)光源和我們自己（最終的觀測(cè)者）之間的中性物質(zhì)總量。

在《王國之淚》中，當(dāng)光亮花的種子被種植到海拉魯?shù)氐椎耐恋厣蠒r(shí)，它會(huì)在種子周圍創(chuàng)造一個(gè)被照亮的區(qū)域，驅(qū)散一定范圍內(nèi)的黑暗。但要永久照亮一片更大的區(qū)域，就必須激活破魔之根

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡之所以能像這張圖一樣向我們展示這個(gè)遙遠(yuǎn)的星系GN-z11，只是因?yàn)樗挥谝粋€(gè)大部分星系間介質(zhì)都被再電離的區(qū)域。其他處于相同距離，但并未位于再電離制造出的、幸運(yùn)地超出均值的視距范圍內(nèi)的星系，只能以更長(zhǎng)波長(zhǎng)的形式呈現(xiàn)

常規(guī)而言，林克會(huì)在冒險(xiǎn)過程中潛入各個(gè)地點(diǎn)的地底，在黑暗中不斷種下光亮花的種子和巨大光亮花的種子，直到他找到破魔之根并激活它，隨后破魔之根會(huì)驅(qū)散周圍的黑暗。但因?yàn)榱挚艘淮沃荒艹霈F(xiàn)在一個(gè)地方，所以這些“光點(diǎn)”在亮起并驅(qū)散周圍的黑暗時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出成團(tuán)聚集的形態(tài)。先是有一個(gè)地方亮起了光、照亮黑暗，然后附近的其他地方也亮起光，再之后——也就是林克離開地底后——光會(huì)零星在別處亮起：在林克下一次進(jìn)入地底的位置。

隨著時(shí)間的推移，這最終會(huì)在地底創(chuàng)造出一種“瑞士奶酪”型的光結(jié)構(gòu)，來自相鄰破魔之根的光芒會(huì)疊加起來，變得比任何一個(gè)破魔之根單獨(dú)亮起時(shí)更亮。彼此臨近的多個(gè)破魔之根被激活后，會(huì)進(jìn)一步照亮它們附近的環(huán)境，經(jīng)常會(huì)令光線照到出乎預(yù)料的地點(diǎn)。如果存在難以進(jìn)入的黑暗區(qū)域或是被激活的破魔之根包圍的未激活破魔之根，哪怕這些區(qū)域周圍已被點(diǎn)亮許久，區(qū)域內(nèi)仍會(huì)保持黑暗。甚至到了游戲的最后階段，這些區(qū)域仍有可能黑著。

每一個(gè)被激活的破魔之根（在地圖上由菱形表示）都會(huì)照亮周圍很長(zhǎng)一段距離內(nèi)的黑暗。如果像圖中這樣激活了多個(gè)相鄰的破魔之根，那么它們照亮的部分將比任何一個(gè)破魔之根單獨(dú)被激活時(shí)更亮

雖然在不斷膨脹的宇宙中，時(shí)常有恒星在不同的太空區(qū)域同時(shí)形成，但在再電離過程中出現(xiàn)的“瑞士奶酪”結(jié)構(gòu)與《王國之淚》中地底隨著時(shí)間的推移逐漸被照亮的情形極為相似。在恒星不斷形成的地方（它們通常會(huì)通過并合與吸積形成星系），這些再電離氣泡就會(huì)出現(xiàn)。盡管宇宙在膨脹，但這些氣泡也在增長(zhǎng)，此外，每當(dāng)有原始物質(zhì)觸發(fā)恒星首次形成，這些地方也會(huì)出現(xiàn)新氣泡。

當(dāng)然，海拉魯?shù)牡氐撞⒉粫?huì)膨脹擴(kuò)大，所以如果我們想要比較這兩種情境，我們必須將膨脹這個(gè)條件剔除，但我們?nèi)阅馨l(fā)現(xiàn)共通的特征。

當(dāng)兩個(gè)恒星形成區(qū)域彼此接近時(shí)，它們的再電離氣泡將會(huì)重疊，使得來自各自區(qū)域的紫外光子傳播更遠(yuǎn)的距離，從而形成一個(gè)更大的、不斷增長(zhǎng)的氣泡，同時(shí)包圍兩者。當(dāng)再電離的小氣泡被較大的氣泡取代時(shí)，較大的氣泡占主導(dǎo)地位，但是較小的氣泡仍有其貢獻(xiàn)。

宇宙中的第一批恒星被吸收星光的中性原子（大多是氫原子）包圍。隨著更多恒星代代相繼地形成，宇宙逐漸再電離，使我們能夠完全看到星光，并研究觀測(cè)對(duì)象的基本屬性。然而，在遠(yuǎn)離恒星光源的區(qū)域，中性原子可以持續(xù)存在比平均宇宙時(shí)間更長(zhǎng)的時(shí)間

隨著新的光源出現(xiàn)，早期的氣泡和后產(chǎn)生的氣泡融合，最終增長(zhǎng)到極大，足以照亮周圍的大部分區(qū)域。

130多億年前，在再電離時(shí)代，宇宙是一個(gè)和如今截然不同的地方。星系間的氣體對(duì)于高能光來說基本上是不透明的，因此很難觀測(cè)到年輕的星系。詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡正在深入探測(cè)太空，搜集更多存在于再電離時(shí)代的天體的信息，以幫助我們理解宇宙歷史上的這一重大過渡時(shí)期

在宇宙的例子里，當(dāng)再電離完成時(shí)，宇宙對(duì)所有波長(zhǎng)的光都變得完全透明，包括可見光。

然而，海拉魯?shù)牡氐缀驮匐婋x的宇宙之間存在著一個(gè)主要且重大的區(qū)別，就算撇去宇宙會(huì)膨脹這一條件，就算意識(shí)到在不同地點(diǎn)會(huì)同時(shí)發(fā)生多個(gè)“點(diǎn)亮”事件，這一區(qū)別仍然存在。

隨著時(shí)間的推移，海拉魯?shù)牡氐鬃兊迷絹碓矫髁?，因?yàn)榇饲包c(diǎn)亮的破魔之根永遠(yuǎn)不會(huì)熄滅，同時(shí)又不斷有新的破魔之根被點(diǎn)亮，最終，地圖將僅僅由破魔之根——地底最亮的光源——完全點(diǎn)亮。

然而，在實(shí)際的宇宙中，我們并不期望這種情況發(fā)生。雖然在《王國之淚》中，最終照亮整個(gè)地底的是破魔之根，而非巨大或普通光亮花的種子，但在真實(shí)宇宙中，真正重要的是紫外線的總通量，而不論其來源。盡管詹姆斯 ? 韋布空間望遠(yuǎn)鏡（以及其他天文臺(tái)）最擅長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)亮度最大的光源，但據(jù)估計(jì)，絕大多數(shù)的紫外光子（至少80%，至多95%）都是由較小的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的：恒星團(tuán)和小型星系，而非產(chǎn)生最多輻射的巨型恒星。詹姆斯 ? 韋布空間望遠(yuǎn)鏡和其他現(xiàn)代天文臺(tái)的一部分科學(xué)目標(biāo)就在于準(zhǔn)確地了解不同大小和亮度的星系是如何最終使宇宙完全再電離的。