本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。现代宇宙学理论认为，可观测宇宙起源于大约140亿年前的大爆炸，但我们是怎样知道这一切的呢？大爆炸之后发生了什么？大爆炸之后的宇宙黑暗时代和宇宙黎明是什么？它们隐藏着什么样的秘密？科学家们准备怎样考古我们的宇宙？本期首都科学讲堂邀请中国科学院国家天文台研究员、“天籁计划”和“鸿蒙计划”的首席科学家陈学雷，为我们揭开宇宙起源的秘密。主讲嘉宾：陈学雷中国科学院国家天文台研究员“天籁计划”和“鸿蒙计划”的首席科学家▲宇宙的黑暗时代与黎明（上）▲宇宙的黑暗时代与黎明（下）有关宇宙形成的故事科学家认为现在人类可观测的宇宙形成是在大约140亿年前的一次大爆炸，在这之前我们今天可观测的宇宙都处在一个非常小的范围之内，爆炸结束以后，才形成了今天所看到的无数的星系、恒星等等。▲宇宙大爆炸示意图（供图/陈学雷）这段历史如上图所示，在大爆炸结束之后，可以看到有一段黑黑的部分，就是我们所说的宇宙黑暗时代，随后第一代的恒星才开始产生，宇宙当中才有了星光。随着宇宙的演化，越来越多的恒星形成，直到形成今天的宇宙。可能大家会产生这样一个疑问，宇宙发生大爆炸的时候并没有人，那么我们怎么知道宇宙历史是这样的？两千多年前，面对楚国宗庙壁画所描绘的奇诡创世传说，屈原在《天问》中就发出了类似的灵魂之问，“曰遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢闇，谁能极之？”也就是说，人们怎么可能知道这些创世之初的事情？但是相比屈原，现代的天文学家有一个可以穿越时空的利器：望远镜能够让我们看到宇宙早期的天体。因为光的传播是有一定速度的，越远的光传到地球上所花的时间就越长。比如，在南半球，抬头就可以看到一片蒙蒙胧胧的距离地球最近的星系——麦哲伦星云。这个星系离我们大概是16万光年，它的光传到地球上就需要16万年。同样，在北半球也可以看到仙女座大星云M31，它离我们有250万光年。所以，我们现在看到的仙女座大星云是它250万年前的图像。▲望远镜时光机（供图/陈学雷）依此类推，如果我们的望远镜有强大的能力，能够看到非常暗弱的天体，那就可以看到宇宙创生之初所产生的样子。那我们有没有看到大爆炸时期的宇宙呢？其实我们已经看到了。它就是大概140亿年前宇宙大爆炸的时候产生的微波背景辐射。爱因斯坦曾经说过一句名言：“理论决定了你能看到什么”。现代宇宙学的基础是广义相对论。爱因斯坦发现时间和空间本身是可以发生弯曲的，这就是所谓的爱因斯坦场方程。简单地说，物体的动量和能量会影响到时空的曲率，这就是爱因斯坦的广义相对论。▲爱因斯坦场方程（供图/陈学雷）如果我们直观地去看一个天体，它有一定的质量，有一定的能量，它就会使周围的时间和空间发生弯曲。其它物体在这天体附近运动的时候，就好像在一个弯曲的曲面上运动一样，轨迹出现偏折，展现出受到这一天体万有引力的状态。▲爱因斯坦广义相对论理论（供图/陈学雷）广义相对论理论提出来后，爱因斯坦就把它用于研究宇宙学。不过，爱因斯坦自己曾经说，他犯了一个一生当中最大的错误。爱因斯坦假定的宇宙是恒定的、静止的，宇宙一直处在同一个状态，在这个假定下去解方程。但是他发现实际上不行，他找不到一个满足这些条件的解。作为静态、永恒宇宙的信奉者，爱因斯坦在他的方程式中增加了宇宙常数，以获得静态解。1922年，一位名叫亚历山大·弗里德曼的俄罗斯宇宙学家和数学家发现，如果不添加这个宇宙学常数项，爱因斯坦广义相对论场方程的解不是静态的，宇宙或者在膨胀、或者在收缩。▲宇宙膨胀示意图（供图/陈学雷）实际上，已经有观测证据支持宇宙在不断膨胀。1916年，美国天文学家维斯托·斯莱弗观测了一些旋涡星系，当时被称为“螺旋星云”。当光源向远离我们的方向运动时，它辐射的光波波长会变长，由于在可见光中红光具有较长的波长，因此这叫做红移。斯莱弗观察到大部分星系谱线都有红移，它们都在远离地球，而本来我们预期的是有的星系在远离我们，有的在靠近我们。此后，美国天文学家哈勃使用了威尔逊山上的2.5米口径望远镜进行了一系列观测，他能够测量到这些“星云”的距离，并发现它们红移的大小和距离成正比。1927年，比利时物理学家乔治·勒梅特独立求出了弗里德曼方程的解，也发现存在膨胀和收缩解。此后，勒梅特认识到，哈勃在1929年发现的星系距离与红移量成正比的关系可以用宇宙的整体膨胀解释。在整体膨胀的宇宙中，更遥远的星系移动得更快，这正是哈勃观测到的现象。1931年，勒梅特进一步推进了他的预测，向过去推算，发现宇宙物质将在过去的有限时间内达到无限的密度和温度。这意味着宇宙一定是从一个非常小的、密集的物质点开始的，这个物质点被称为“原始原子”。尽管当时提出了几种宇宙起源理论，但实际上只有弗雷德·霍伊尔等人的稳态理论与勒梅特的理论存在真正的竞争。这个理论主张物质和能量不守恒，在宇宙膨胀时不断从空间中创生出来，这样的宇宙持续了无限长的时间，从古至今都一直保持相同的样貌。弗里德曼的学生之一乔治·伽莫夫是大爆炸理论的主要倡导者。他与同事拉尔夫·阿尔弗和罗伯特·赫尔曼一起预测，在宇宙大爆炸时会产生许多光子，作为大爆炸的残余物存在于整个宇宙中。宇宙早期的等离子体在复合为原子后，气体变得透明，这些光子开始自由传播，最终红移到微波波段，形成宇宙微波背景辐射（CMB）。▲宇宙微波辐射（供图/陈学雷）1964年，普林斯顿大学的罗伯特·迪克小组准备着手探测宇宙微波背景辐射，不过他们的实验还没开始，就意外地收到了当时在Bell实验室工作的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·伍德罗·威尔逊的电话，这二位在将一台用于通讯实验的天线改为射电望远镜的过程中，偶然发现了一种“多余的噪声”，正是大爆炸理论预言的宇宙微波背景辐射。彭齐亚斯和威尔逊因这项发现而获得了1978年诺贝尔物理学奖。▲彭齐亚斯和威尔逊因发现宇宙微波背景（CMB）辐射而获得了1978年诺贝尔物理学奖（供图/陈学雷）宇宙微波背景辐射后，大部分学者接受了宇宙大爆炸理论。霍伊尔等少数稳恒态宇宙学支持者试图在稳恒态宇宙内解释这一发现，但是随着更多实验的进行，COBE、WMAP、Planck等卫星以及许多其它的地面、气球实验对宇宙微波背景辐射的测量越来越精密，与大爆炸理论预言符合得愈加完美，而其它解释很明显无法给出合理的解释，宇宙大爆炸理论终于被普遍接受。现在，宇宙学家们建立了宇宙学标准模型理论，这个理论可以对宇宙的演化历史给出高度定量化的描述，并且得到了大量观测的支持。不过，这个理论中也还存在着未知的东西，那就是我们所熟悉的普通物质仅占约4.8%， 而宇宙中还存在着大量的所谓暗物质和暗能量，它们通过万有引力影响着宇宙的演化。对于它们的引力作用，我们现在可以用模型描述，并且也可以测量得比较准确，但我们并不清楚它们的本质究竟是什么。宇宙的大尺度结构和形成过程星系对地球上的人来说感觉已经非常巨大了，银河系里可能包含两千多亿个像太阳一样大的恒星，但银河系在宇宙当中也是“沧海一粟”。宇宙中有着亿万数量的星系，我们观测到的星系形状千奇百怪，下图展示了一些比较典型的星系，这些星系是怎么样形成的呢？▲各式各样的星系（供图/陈学雷）▲对宇宙的全天观测（供图/陈学雷）上边这张图是SDSS BOSS巡天观测的星系分布，观测区域是扇形的，图中每一个点都是一个星系。这张图显示了宇宙的大尺度结构。所谓大尺度结构，其实就是指比星系更大的尺度上物质分布形成的结构。从图中看，星系分布并不完全均匀，而是有的地方密，有的地方疏，看上去就好像有一些纤维状的结构。我们看到宇宙当中存在着复杂的结构，这个结构是怎么样形成的呢？星系和大尺度结构是在万有引力驱动下形成的。说到万有引力，我们首先要补充一点，就是除了我们能直接看到的发光物质外，宇宙中还存在着大量不发光的暗物质，它们产生的引力非常重要。我们看到的星系的周围有一个所谓的暗物质晕。比如说，银河系中，我们能看到的是银河系中心的核球和我们所处的银盘，但是我们看不到的地方周围还有很多暗物质。这些暗物质总的质量比我们看到的发光的物质要多很多。这个观点在上个世纪70年代就得到了科学家的普遍认同，在观测当中发现所有的星系都有暗物质晕。▲太阳在银河系中的位置（供图/陈学雷）宇宙开始时处在比较均匀的状态，在往外膨胀。在膨胀的过程当中，密度比较高的地方产生的引力会使周围的膨胀速度变慢，这叫膨胀减速。最终在高密度区周围一定范围内减慢到不膨胀，然后转入收缩，最后形成复杂的大尺度结构。这些结构最终再坍缩，形成暗物质晕，在暗物质晕里再形成星系。宇宙一开始确实像混沌一样很均匀，逐渐就越来越不均匀，最终就先形成了一些很大的纤维状结构。在这个纤维交接的地方，密度特别大，这就是暗物质晕。暗物质晕再进一步融合，两个暗物质晕撞到一起可能就并为一体了，这些暗物质晕就变得越来越大，最终就形成了现在所看到的星系团或大质量星系。在大爆炸后，经过大概40万年的时间，等离子体发生了复合，变成普通气体了，这个时刻就叫做大爆炸结束。大爆炸结束的时候，宇宙是什么状态？宇宙里的温度有两千多度，气体已经变成了普通的气体，宇宙在继续慢慢地膨胀。这个时候能够导致气体电离的紫外线光子已经比较少了，剩下的就是可见光、红外光。然后随着宇宙膨胀，波长越来越长，就从红外光逐渐移到微波，这段时间的宇宙叫做宇宙的黑暗时代。黑暗时代就是说宇宙里还没有恒星和星系，只有一些气体和暗物质。但是之后，随着宇宙膨胀，我们上面描述的结构形成过程开始发生，暗物质结构逐渐增长，慢慢地形成了非常复杂的纤维状结构，最终形成暗物质晕。暗物质晕大到一定程度之后，它里面开始形成第一代的星系，第一代的恒星。恒星开始发光，迎来了宇宙的黎明时刻。那么宇宙的黎明或者说宇宙黑暗时代结束是什么时候？我们还并不完全了解精确的时间，现在估计可能是在大爆炸结束以后几千万年到一两亿年的时间尺度上，在这个时候开始形成最初的恒星和星系。又经过一段时间的演化，比如经过几亿年后，宇宙发生了再电离。宇宙大爆炸的时候各种气体都是电离的状态，后来等离子体复合，气体变成中性的，但是第一代的恒星和星系形成之后，它们发出来的光会把周围的气体再次电离掉，所以叫做宇宙再电离。▲宇宙历史（供图/陈学雷）星系或者恒星的形成是一个引力坍缩的过程。这个理论是英国天文学家金斯提出来的，他认为宇宙形成开始的时候，气体里有一些微小的不均匀性，然后如我们上面所说，在引力的作用下，密度越高的地方引力越强，它会把更多的物质吸过来，这个引力越来越强。不过我们前面只讲了引力，其实物质聚集到一定程度以后，其中的气体压强可以与引力平衡。但是在比较大的尺度上，引力比较强，而压力是一定的，它没有办法继续增强。所以，在比较大的尺度上，压力无法和引力平衡，系统在引力作用下就开始坍缩成一团物质，直到它们收缩到比较小的空间内，引力和压强达到可以平衡的状态。这种收缩过程增加了系统的密度。由于系统的总角动量是守恒的，坍缩当中，它会沿着角动量的方向收缩，形成盘状的系统，所以我们看到星系，甚至太阳系都是盘状的。我们太阳系的行星，都基本上分布在一个平面上，环绕太阳旋转。这些就是在这个引力坍缩过程当中很自然形成的。当然形成了一团物质后，气体还可以通过向外辐射再冷却。随着气体能量的损失，压力下降，气体就会进一步收缩，密度增加。直到增加到一定程度了以后，气体变得很密集，相互发生化学反应，这样气体就从原子状态形成了分子状态，最后形成分子云。这个过程气体经过不断地持续收缩，密度越来越高，最终密度就比一开始的时候提高20个数量级左右，最后就可以形成恒星。在银河系中，我们可以看到很多的星云，在其中新的恒星正在形成。在宇宙黑暗时代和黎明时代，也是通过类似的过程形成了第一代的恒星。不过和我们今天的恒星形成过程相比，有一个重要的不同。宇宙大爆炸时所形成的元素基本上只有氢和氦，而没有更重的元素。但根据量子力学，原子具有不同的能级，在能级之间发生量子跃迁时产生辐射。氢和氦这两种元素的基态能级能量都非常大，所以很不容易发生量子跃迁，也就很不容易通过辐射损失能量，所以气体冷却得很慢，这样最终就可能形成质量更大的恒星。不过，这些恒星质量究竟有多大，现在也不完全清楚。▲银河系中的星云形状万千，这是著名的马头星云（供图/陈学雷）宇宙的黑暗时代和黎明我们已经能够看到大爆炸时候发出来的光，也就是宇宙微波背景辐射。但是到现在为止，宇宙的黑暗时代和宇宙的黎明时代很难看到，因为那个时候恒星还非常稀少，而且离我们也非常遥远，它们形成的星系本身也没有今天的星系大，所以我们要看到它们的话就非常困难。不过我们还是发挥了一些想象力，想象大概从大爆炸结束的时候，宇宙年龄可能是38万年，到后边1亿年左右的时间，也许是所谓的黑暗时期。这个时候的宇宙里可能开始逐渐地形成一些密集的物质，可能气体开始冷凝，形成第一代的恒星。▲宇宙演化历史示意图（供图/陈学雷）根据大爆炸的理论模型，我们猜想宇宙早期的演化是这样的一个过程。但这个过程里，很多问题我们只有一个大概的了解，还并不能够很精确地知道是不是和是怎么样子。比如说第一代恒星到底是怎么形成的？它们的性质是什么样的？它们是很多都像太阳一样，还是质量比太阳大得多？恒星到底有多重？寿命到底有多长？到底产生了哪些重元素？这些问题还是并不完全知道。如何对宇宙黎明进行探测呢？科学家一直在增强直接观测能力。2021年，美国发射了詹姆斯·韦布空间望远镜，它比之前的哈勃空间望远镜更大。由于空间观测不受大气的影响，观测条件特别好，而且大气吸收了红外光，所以我们如果要观测红外的话，到空间是必要的。2022年，NASA公布了韦布望远镜第一批观测数据，它观测了一个星系团，这个星系团本身像个引力透镜一样，可以把后面的星系给放大。放大了以后，你就可以看到它就是模模糊糊的一些小点。这些小点实际上按照我们推测，它就应该是宇宙黎明时代一些质量特别大、发光特别强的星系。▲韦布天文望远镜可以观测到宇宙黎明时期少量高亮度星系（供图/陈学雷）韦布望远镜发布图像之后，就引起了轰动，因为它看到了比我们原来理论预测的要多很多的星系。为什么在宇宙早期时候一下子就能形成这么多亮的星系呢？这个跟我们标准的理论是不一样的。当然，这个观测有一定的误差，另外现在观测的只是很小一片区域，也不一定代表了典型的情况。无论如何，有了空间望远镜，我们可以开始看更多的星系，获取对宇宙黎明的一些认识。但是，那种更普遍的、亮度比较低一些的星系，就算是用韦布望远镜现在也看不到，将来的人们还要继续研发更先进的望远镜。除了直接观测外，我们还可以通过微波背景辐射对宇宙的黎明时刻进行探测。光子从大爆炸的时候穿到今天，在这个过程当中，光子会和里面的一些气体发生散射。根据对微波背景辐射进行分析，我们可以去推测宇宙的演化过程。▲欧洲普朗克卫星的观测结果（供图/陈学雷）还有一种探测方法是通过对莱曼吸收谱的分析。有一种叫类星体的天体光特别强，光在传到地球的过程中会被气体吸收，有一些中性的氢气体会产生莱曼吸收谱。通过这种方式，我们也能够推测宇宙有多少气体还没被电离，从而间接地了解黎明时代。另外一种重要的观测手段就是中性氢21cm谱线。中性氢其实就是氢原子组成的气体。按照量子力学的理论，氢原子的基态超精细分裂为两个能级，其间的跃迁产生波长21cm辐射。观测不同频率的电磁频谱，可以获得不同红移的21cm辐射信息。▲光学与21cm星系图像（供图/陈学雷）迄今为止，21cm发射线探测还局限于低红移 (z ≲0.4), 但目前有很多中、高红移正在实验中。目前21cm这个谱线我们在银河系里或者在周围的一些星系探测到了，但是在这个宇宙更遥远的距离上，探测它还是比较困难的。▲平方千米阵 SKA（供图/陈学雷）全世界的天文学家会共同努力，去破解这个宇宙的黑暗时代和黎明。比如，国际上多个国家正在联合研制的规模空前的射电望远镜“平方千米阵”（SKA），我们国家也是其成员之一，将来建成之后，就有可能直接探测到宇宙再电离之前的中性氢气体分布。低频射电的空间观测不过，宇宙黎明时代、特别是宇宙黑暗时代的21cm信号传到我们这里，已经红移到非常低的频率，这么低频率的电波会受到大气电离层的吸收、反射和折射，所以在地面上观测非常困难。为了解决这一问题，我们可以到空间去进行观测，但地球还有很强的天然和人工产生的低频电磁辐射，形成巨大的干扰。月球是一个已经没有地质活动和大气的天体。它巨大的体积可以很好地遮挡住我们并不希望看到的、特别是来自地球的很强的辐射信号。因此，将低频射电探测器放置在月球的背面，就可以很好地屏蔽来自地球，以及部分时间可以阻挡来自其他天体，包括木星、太阳和银河系中心的射电辐射。那我们是把探测器着陆在月球背面好呢，还是让它围绕月球轨道飞行，并在其飞到月球背面时再开展探测好呢？如果是只有一个小天线的探测器，最经济的办法就是在月球轨道上测量。因为它在环绕月球飞行时，在月背弧段可以开展测量，在飞到朝向地球这面时向地球下传数据。如果降落到月球背面，则不但需要着陆器协助，还需要发射一颗中继卫星转发数据。但是如果要建造大型的射电望远镜，比如像FAST那样的大反射面天线，可以考虑在月球背面找到一个适当大小的陨击坑，并在这个坑内铺上反射网，架设接收机馈源天线。但是，这就需要从地球运输大量物资，多次降落到月球背面，经过长时间的建设，才能开展观测。目前，国内外的科学家也在研究未来在月球背面建造大型的低频射电望远镜。中国科学家提出了鸿蒙计划，创新性地提出了利用微卫星编队在月球轨道飞行，开展高分辨率干涉成像的设想，既解决了高分辨率成像的问题，也解决了造价高昂的问题。▲鸿蒙计划示意图（供图/陈学雷）鸿蒙计划就是利用了干涉成像原理，在月球轨道上编队飞行8颗微卫星。每颗微卫星上搭载着一个超长波射电干涉接收机，再由一颗主卫星测量微卫星之间的距离，并汇聚和下传数据。在飞行的过程中，微卫星两两之间不断地做干涉测量，由于干涉的基线长度不同，且可以通过编队的控制改变其长度，所以基线可以从短到长全面覆盖空间频率域采样的需求。奇妙的是，伴随着轨道上这些微卫星绕月飞行，基线的方向也在变化着，这样就可以巧妙地对两维的空间频率域进行完整覆盖。更为奇妙的是，利用特殊设计的轨道倾角，轨道面还会缓慢旋转，也就是所谓的轨道进动，所以一条轨道就可以实现覆盖三维空间频率域上的很多点。对其他天文观测来说，月球遮挡、轨道运动和轨道进动都是需要克服的困难，而鸿蒙计划却全面地利用了这些天体的运行规律来提高观测性能。由一颗主星带领的微卫星编队在月球背面开展观测，记录干涉数据。在飞到月球朝向我们地球这一面时向地球站传回数据。在1年多的时间里，编队就可以获得全部天区的观测数据，得到整个宇宙在低频射电波段的高分辨率的图像。可以说，鸿蒙计划的科学目标瞄准的是最为重要的宇宙起源和演化问题，将打开最后一个未知的观测窗口，为天文学研究提供一个新的观测手段，获得宇宙学、天体物理、空间天气等很多领域的重要科学发现。我们现在只是迈出万里长征第一步，将来希望下一代，甚至再下一代的天文学家，最终了解宇宙的起源问题。（本期图片、视频来自第779期首都科学讲堂）传播科学知识弘扬科学精神让科学普及与科技创新两翼齐飞