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福利時間今天我們將送出三本由圖靈新知提供的優(yōu)質(zhì)科普書籍《黑洞與暗能量--宇宙的命運交響》。
本書圍繞黑洞與暗能量兩大主題，詳細闡述了恒星、黑洞等宇宙天體誕生、演變與隕滅的精彩歷程，揭示了黑洞與暗能量的真實面貌，在圍繞人類揭秘宇宙的恢弘人文與歷史背景中，講述探索宇宙的物理與天文知識。
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【互動問答示例】
互動:這里就可以自由發(fā)揮你的答案啦~
作者:Ethan Siegel
翻譯:yangfz
審校:山寺小沙彌
藝術(shù)家對已經(jīng)形成數(shù)萬億恒星的早期宇宙的想象圖。圖片來源:NASA/ESA/ESO/Wolfram Freudling等
當(dāng)我們今天看向宇宙時，其中估計有兩萬億個星系，平均每個星系包含約數(shù)千億個恒星，這意味著我們可以在可觀測宇宙中觀測到大約10^24顆恒星。當(dāng)我們看向越來越遠的距離時，我們也在回顧時間，而且由于宇宙大爆炸發(fā)生在一個有限的時間之前(大約138億年)，我們能看到的距離有一個極限，且仍然能看到星星。那么一定有一段時間之前宇宙里沒有恒星，在那之后第一顆恒星出現(xiàn)在了宇宙。那是什么時候呢?我們現(xiàn)在比以往任何時候都更了解答案。
哈勃望遠鏡觀測到的人類已知最早、離地球最遠的一個星系，GN-z11。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將會幫助我們看得更遠。圖片來源:NASA, ESA, and A. Field
在人類偉大的天文臺，如哈勃太空望遠鏡，以及赫歇爾和斯皮策等紅外太空望遠鏡的幫助下，我們已經(jīng)看到了比任何時候能看到的更遠的宇宙。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了12億至130億年前的一系列星系和類星體，其中有一小部分星系甚至比這更早。目前的紀錄保持者是GN-z11，這個星系從宇宙只有4億年的時候就有了光，這是當(dāng)前宇宙年齡的3%左右。而且我們之所以看到這個星系也完全是靠運氣，我們現(xiàn)在這一代的望遠鏡不可能找到比這更遠的恒星或星系。
藝術(shù)家對于可觀測宇宙對數(shù)尺度的概念圖。圖片來源:wiki
這并不是因為超出這個范圍的恒星或星系是不存在的，而是宇宙當(dāng)時的性質(zhì)意味著我們看不到那些存在的宇宙。一旦第一個38萬年過去了，宇宙已經(jīng)冷卻到可以穩(wěn)定地形成中性原子，而不會被宇宙大爆炸中的剩余輻射直接電離，在這個時候就沒有恒星。然后還需要幾千萬年(或者甚至超過一億年)的時間，引力才能使這些微不足道的地區(qū)第一次吸引足夠的物質(zhì)來點燃核聚變。然而，當(dāng)進入這種狀態(tài)的時候，有兩件事情對他們不利:
1、宇宙正在膨脹，這意味著即使是最熱的恒星所產(chǎn)生的紫外線光線也會被紅移:從紫外線到可見光一直到紅外線，遠遠超過哈勃能看到的范圍。
2、現(xiàn)在充滿中性原子的宇宙阻擋了來自這些恒星的光線，就像我們星系中的中性物質(zhì)遮蔽了我們眼中的銀河系中心一樣。
銀河系和周圍天空的星密度圖，該圖清晰地顯示了銀河系，大小麥哲倫云等。然而，在可見光的情況下，銀河系中心因銀河系平面中性物質(zhì)對光的吸收而變得模糊不清。圖片來源: ESA/GAIA
而且，產(chǎn)生的第一個恒星和星系與我們現(xiàn)在的也有很大的不同?，F(xiàn)在，宇宙中存在的恒星是由大約70%的氫氣，28%的氦氣和1-2%的“其他物質(zhì)”所組成的，天文學(xué)家們“懶散”地稱之為“金屬”。如果你看看曾經(jīng)所有存活過的恒星，它們把氫和氦融合成較重的元素，這就是它們總和的效應(yīng):豐富了大爆炸后的宇宙，把宇宙由75%的氫，25 %氦和0%金屬變成我們今天看到的這樣。這意味著形成的第一顆恒星應(yīng)該是純凈的，換句話說就是完全由氫和氦構(gòu)成，沒有金屬污染它們。我們最好的候選者是CR7星系中的一群恒星，它的光線飛行了130億年多的時間才能到達我們的眼睛。
CR7的示意圖，它是第一個被認為是第三星族星(population III )的星系:在宇宙中形成的第一顆恒星。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將揭示這個星系的實際圖像。圖片來源:ESO/M. Kornmesser
從理論上講，我們可以使用我們所知道的關(guān)于結(jié)構(gòu)形成的知識來模擬第一顆恒星應(yīng)該形成的時間。因為我們知道以下內(nèi)容:
38萬年前的宇宙中某些地區(qū)的密度是多少，
物質(zhì)和輻射服從的是什么物理定律(如重力和電磁)，
當(dāng)時有多少宇宙是由物質(zhì)，輻射，暗物質(zhì)和中微子組成的，
在膨脹的宇宙中，冷卻、收縮和坍塌是如何工作的?
我們可以模擬宇宙中的條件來判斷何時會首先出現(xiàn)核聚變點火，并因此產(chǎn)生第一顆恒星。
在我們目前的天文臺中，我們看不到這些恒星，因為它們周圍的中性物質(zhì)阻擋了太多的發(fā)射光。在宇宙被重新電離之前，這意味著有足夠的熱紫外線發(fā)射恒星將這些中性原子轉(zhuǎn)變成電離等離子體，然后紫外線和可見光就不能通過。一般來說，宇宙在500-550億年之前不會被重新電離，也就只有通過運氣，我們才能觀測到恰好位于早期發(fā)生重新電離的空間區(qū)域的GN-z11古代銀河。
一般來說，你需要做的是看光的余輝照片里的紅外線部分，因為中性原子在阻斷這種情況時效率較低。
這四張圖以四種不同波長的光線顯示了銀河系的中心區(qū)域，其中較長的(亞毫米)波長位于頂部，穿過遠近紅外線(第二和第三)，并以可見光視圖結(jié)束?？梢宰⒁獾降氖菈m埃帶和前景恒星在可見光下遮擋了銀河系中心。圖片來源:ESO/ATLASGAL consortium/NASA/GLIMPSE consortium/VVV Survey/ESA/Planck/D. Minniti/S. Guisard Acknowledgement: Ignacio Toledo, Martin Kornmesser
我們可以通過觀察我們自己的星系來看到這一點，它可能對可見光和紫外光是不透明的，但是在更長的波長處是透明的。這就是為什么詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將會取得如此巨大的進步的原因。是的，它會比哈勃還要大。是的，它會有更先進的儀器。但是它最大的進步是，它被設(shè)計成可以看到更長的波長，一直到中紅外，大約是哈勃望遠鏡可以看到的最長波長的20倍。從理論上說，它應(yīng)該能夠看到來自早到1.5億至2.5億年之間的星系和星團的光線。
詹姆斯·韋伯(James Webb)擁有七倍于哈勃望遠鏡的聚光能力，能夠看到比遠紅外線部分更遠的光譜，能夠觀測的星系甚至比哈勃望遠鏡能觀測的還早。圖片來源:NASA/JWST
我們有大量的理論信息可以給出對宇宙時間線的回答:
到5.5億年前，宇宙100%被重新電離，
在4億年前，我們目前的(哈勃)最遙遠的星系的記錄，
到約2億年前，我們應(yīng)該形成第一個物質(zhì)星系，
正好在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將能夠看到的范圍內(nèi)，
當(dāng)宇宙達到5000萬到1億年時，第一顆恒星應(yīng)該形成。
但是還有更多的科學(xué)要做。即使是詹姆斯·韋伯(James Webb)，我們也不可能一路走到第一個恒星上，但是我們很可能會更好地解決他們到底在哪里和什么時候產(chǎn)生的。至于第一批原始恒星?第一顆恒星證實除了氫和氦之外沒有別的東西?如果大自然對我們友善，詹姆斯·韋伯不僅會給我們帶來第一個，而且會給我們帶來很多例子。
宇宙在那里等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)它。如果我們想知道答案，我們只需要做的就是看。只有當(dāng)我們建立了更好的觀測站并獲得更好的數(shù)據(jù)時，我們對所有這些數(shù)據(jù)的理解才會改善。
原文地址:
https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/12/21/when-did-the-first-stars-appear-in-the-universe/#87028593bcfb
互動問題
【互動問題:如果沒有恒星你覺得這個宇宙會是什么樣子的呢?】
請大家嚴格按照互動:問題答案的格式在評論區(qū)留言參與互動，格式不符合要求者無效。
截止到本周四中午12點，點贊數(shù)前三名的朋友將獲得我們送出的圖書一本。
編輯:山寺小沙彌
