宇宙演化之谜：十亿年探索之旅能否揭开真相？

在宇宙诞生后的数百万年里，它宛如一片沉寂而黑暗的海洋，被一层厚重的中性氢“帷幕”紧紧包裹。那时，宇宙中还没有璀璨的恒星点亮夜空，没有壮观的星系旋涡，更无行星的踪迹。

然而，这一沉寂并未持续太久。大约在大爆炸后的1亿年，宇宙悄然迎来了它的变革时代。在接下来的十多亿年里，它从一片荒芜逐渐演化为一个充满生机与活力的世界。这一转变的起点，正是第一批恒星的诞生。它们不仅释放出巨大的热量，还孕育出了新的物质，并以其强烈的光芒“撕裂”了弥漫在宇宙中的氢气，使氢原子中的电子被剥离，导致宇宙中含量最丰富的元素——氢，大部分变成了电离状态。这一关键时期，被称为“再电离时代”。

再电离时代不仅是宇宙发展的主要舞台，更是见证了宇宙成长历程的重要时期。德克萨斯大学奥斯汀分校的理论天体物理学家朱利安·穆尼奥斯曾表示，再电离是宇宙发生的最后一次重大转变。在那十多亿年的时间里，宇宙万物都发生了翻天覆地的变化，而此后的数十亿年里，宇宙的变化则相对较小。

尽管现有的理论对再电离过程有所描述，但我们对宇宙的认知仍存在许多空白。例如，第一批恒星究竟何时形成？它们何时引发了宇宙的再电离？哪种星系在这一过程中发挥了最大作用？黑洞又扮演了怎样的角色？再电离在时空维度上是如何发展的？这些问题至今仍是未解之谜。

然而，随着科技的飞速发展，全新的科研工具不断涌现，科学家们得以更深入地回溯宇宙最初的十多亿年。其中，詹姆斯·韦布空间望远镜的发射无疑是天文学领域的一大突破。它聚焦于大爆炸后仅数亿年就已存在的星系，不断带来令人惊叹的发现。例如，科学家们已经发现了在大爆炸后仅3.5亿年就已存在的星系，这一记录随后又被刷新，加州大学圣克鲁兹分校的天体物理学家布兰特·罗伯逊及其同事发现了大爆炸后仅2.9亿年的星系。

詹姆斯·韦布空间望远镜不仅带来了许多宝贵的信息，还对人们的认知产生了巨大冲击。它发现早期宇宙中的星系数量以及它们包含的恒星数量远超科学家的预期。例如，有6个在大爆炸后7亿年内形成的星系，其恒星数量竟能与如今拥有600亿个太阳恒星的银河系相媲美。这些发现促使科学家重新审视星系的演化过程，并引发了关于再电离的诸多重大问题。

詹姆斯·韦布空间望远镜还发现，这些星系产生的光线远远超出使宇宙再电离所需要的量，这意味着再电离可能发生的比人们现在所认知的更早。巴黎天体物理研究所的天体物理学家哈基姆·阿泰克及其同事的研究表明，即使是詹姆斯·韦布空间望远镜观测到的最暗淡的早期星系，产生的再电离光线也是预期数量的四倍。这一发现进一步加深了我们对再电离时代的认知。

为了更深入地了解再电离过程，科学家们还在使用下一代射电望远镜追踪早期宇宙中不同时期中性氢的含量。他们通过多种方式对氢进行探测，包括宇宙微波背景辐射的散射情况、类星体产生的光的探测等。然而，这些方法都面临着诸多困难。因此，科学家们现在试图探测中性氢自身发出的射电信号，即21厘米谱线。

21厘米谱线源于中性氢原子中电子的量子跃迁，此跃迁会发射出波长为21厘米的少量电磁辐射。虽然这种信号并不常见，但当中性氢大量存在时，就有可能被探测到。科学家们已经通过“氢再电离时代阵列”（HERA）等射电望远镜开始探测这种信号。HERA由350个射电天线组成，分布在南非北开普省的一个区域内。尽管望远镜本身的技术含量不高，但观测过程需要最先进的信号处理和数据分析技术。

对中性氢的探测结果同样超出了现有理论的框架。研究人员开始使用暗物质来解释这些结果。例如，“探测再电离时代全球特征实验”（EDGES）的研究人员曾报告称探测到了比预期更强的21厘米谱线信号，这引发了人们对该发现的诸多质疑。一些研究人员认为氢与暗物质之间的相互作用可能是一种解释，但这需要一些特殊的物理现象来支持。

未来，将有更多的仪器助力科学家进一步回溯宇宙历史。例如，平方千米阵（SKA）将试图绘制整个天空的21厘米谱线信号图。它将把南非和澳大利亚的射电天线连接起来，建成有史以来最大的射电望远镜。还有国家提出了在太空甚至月球上建造新射电望远镜的提案，以避免地球的干扰。