由来

大爆炸后

大爆炸后

刚刚平静下来时，眩目的热辐射烧毁了所看到的一切，热辐射来自何方，依然是宇宙史上空白的一页。“这无疑是威尔金森微波背景辐射各向异性探测器(WMAP)最激动人心的一个发现。”这也许是一个夸大的断言，但坎布里奇大学的天体物理学家J·奥斯特列克却不承认失言。去年，检验了大爆炸留下的辐射的WMAP有了关于宇宙中的一个惊人发现。

大爆炸后，宇宙瞬间充满了大量眩目的、炽热的电子和氢离子以及氦离子。炽热意味这些粒子具有非常大的能量，所以不能结合为中性的原子，宇宙需要38万年才能冷却到足以使电子和离子重新结合。宇宙初期，一些原子和分子互相碰撞聚结为第一批星体，这些星体发出的辐射又开始剥离周围原子的电子，这一时期又称为“再度电离”的时期。

再度电离

但根据WVIAP的分析，再度电离化开始于宇宙形成后仅2亿年时。按照WMAP的设计师之一、新泽西州普林斯顿大学D·斯帕吉尔的看法，这比以前天文学家大多推测的要早7亿年左右。

这一结果让理论工作者忙着去寻求解释:初期宇宙潜藏着什么东西，能够有足够的能量使其气体离子化?虽然天文学家最初一直猜想是第一批星体，现在却开始怀疑有其他某种解释。会不会是第一批黑洞?甚至是否可能是暗物质?

找到这些问题的答案一定会填补宇宙史的空白。按照圣克鲁斯加利福尼亚大学P·麦道的看法，宇宙的初期是决定性的时期。“再度电离决定着随后发生的一切，”他说。

例如，考虑如何再度电离就能确定星系的大小。最终结合为星系的物质必须冷却以后才能聚结成星系—太过炽热，其组成就会跳动得十分剧烈，所以引力就不能把它们结合到一起。由于再度电离会加热一切，因此除非引力足够强大，否则无论什么都难于结合到一起。因此银河前云团在有强烈的电离辐射下能聚结为星系的唯一可能，就是其规模十分大，因而其引力能克服推斥的能量。

宇宙初期

那么，以前科学工作者估算的再度电离的起始时间何以如此离谱呢?首先，我们原先考虑和了解的一切都是以推论为基础。估算都是以分析遥远的类星体发出的光为基础，这些类星体的能量是由把物质转变为辐射的黑洞提供的。但是能显示再度电离时期的类星体只是在大爆炸后大约10亿年才形成。推断要多长时间才能形成第一批星体——第一批可能的再度电离辐射源——始终是非常棘手的问题。 "WMAP让我们首次有可能回溯到很远。”斯帕吉尔说。

尽管WMAP不能直接看到第一批星体，但它能度量后者对宇宙微波背景的光子的极化效应(大爆炸剩留的辐射)。正是由于这个效应，WMAP才能确定开始再度电离的年代。

原因

最有可能引起再度电离的，一定是这第一批星体。它们应是由当时仅有的氢和氦组成的(天文学家称为“金属”的，较氦重的元素直到后来被铸成星体的核心时才存在)。但是这些星体一定得很巨大—要大到引力足以克服热气流的压力。宾夕法尼亚州立大学的T·阿贝尔对这些星体的形成进行了计算机模拟，发现第一批星体应十分巨大:约为30至300太阳质量的数量级。

根据哈佛天体物理学家罗伊布的估算，这些星体的表面温度应为1000000K，这样的强热足以产生大量紫外光子，后者能剥离氢分子的电子。100太阳质量左右的星体能电离1000万太阳质量的氢，“这就是说，只要宇宙全部气体的1 / 100000转化为这样的星体就可使一切离子化，罗伊布说。”

尽管这些星体貌似想象中的引发再度电离的源头，但这一设想仍然存在很大的问题。这些庞然大物虽然能引发再度电离过程，但它们或许不能一直进行到把初期宇宙中的一切物质全部离子化。这是因为它们的电离能会阻碍形成更多的星体。

巨大的星体会分裂，并使周围所有的氢分子离子化。然而氢分子对于星体形成过程至关重要，它是主要的冷却剂。故一旦出现第一批星体，到相当数量的其他星体形成使宇宙中全部的(至少相当大的一部分)剩余气体再度电离，其间会有相当的滞后。

即使在阿贝尔的模拟中，似乎说明最早的一批星体可能出现在大爆炸以后仅1亿年，当时(WMAP的数据表明宇宙已再度电离)全然不足以使宇宙再度电离。“还需要别的东西来做完这件事，”斯帕吉尔说。