宇宙的热史

气候学家和地质学家已经开发了许多方法来估计地球上的温度，可以追溯到很久以前的地球历史，但是天文学家想知道整个宇宙的历史温度，可以追溯到130亿年前。Kavli宇宙学研究所的研究员George Becker利用类星体发出的光来解读宇宙的气候学历史。

George:这个宽泛的问题真的很宽泛，那就是星系是如何在早期宇宙中形成的，然后这些其他的东西是如何从我们生活的气体和暗物质中形成的。占据宇宙大部分的是这个非常非常薄的暗物质和气体网络，我们称之为星系间介质。如果你能看到它，它看起来就像蜘蛛网或海绵。我们相信，随着时间的推移，大爆炸后出现的微小变化，随着时间的推移，通过它们在重力作用下坍缩的方式，形成了这个物质网络，在这个网络中，形成了星系。所以，这是一个包含了宇宙中所有物质的系统，星系就是从这个系统中形成的。它是动态的，随着时间而变化。发生的一件事是它从电子中性变成了被电离。中性的意思是它和这个房间里空气中的气体很相似。气体是由原子组成的，这些原子有电子，电子是附着的。但当你进入太空时，情况就变了尤其是当你进入星系之间的区域时，如果你发现一个原子，很有可能它没有电子。 It would've been knocked off a long time ago by some energetic photon. And that's the way the universe is today. It's spread out in this network of material that is very, very highly ionised. And the question I'm addressing is, how did it become that way? How did the ionisation happen?

本:我想，因为我们知道，为了电离，它们必须在某个时刻与光子相互作用，我们可以利用离子本身来了解宇宙的历史。

乔治:是的，完全正确。如果你知道这个电离过程是如何发生的，那么你就会知道，比如说，什么时候星系已经走得足够远，已经形成足够多的光子来完成这项工作。同样，类星体在这种混合中也很重要，因为事实证明，所有这些气体主要是两种元素中的一种。要么是氢氢是这种气体中含量最多的部分，然后还有氦。我们相信星系是电离氢的原因，但需要类星体才能电离氦，原因是氦原子有两个质子它们能更好地抓住电子，你需要能量更高的光子有足够的能量把那些电子撞下来。所以我们相信是类星体电离了氦这就是我所看到的电离过程的阶段。

本-我想我们不能直接观察到这些相当罕见的离子本身，而是必须使用来自远处的光。在你的例子中，你在看类星体，但你怎么做呢?你需要做什么观察?

乔治:没错。类星体在这里扮演着两个角色。第一，它们提供了我们认为对物理学很重要的光子，第二，它们作为背景光源。所以我们要做的就是观察这些类星体星体发出的光穿过星系间介质——所有这些气体——气体吸收了这些物体发出的部分光。事实上，每当光穿过气体云时，它就会失去一些光子。所以，当它到达我们的时候，它读起来就像自动收报机或条形码一样关于气体在哪里的信息，以及它是由什么组成的都编码在类星体光本身中。

本:那一定是一项艰巨的任务。例如，你如何分辨一团气体云是离你很远但很大还是离你很近但很小?

逆函数在这里通过扩展帮了我们大忙。当光子被发射出来的时候，那是很久以前的事了，宇宙是非常非常拥挤的任何两点我们都比现在靠得更近。所以你可以想象，类星体释放出一些光子这些光子开始向我们传播，在这个过程中，宇宙不断膨胀。光子也会膨胀。只有当光子的长度或频率非常特殊时它们才会被吸收，它们会进入气体云，被气体云吸收。宇宙的膨胀延伸了类星体的光我们可以从地面上观察到的波长读出或者说从光子被吸收的时候宇宙延伸了多少。这听起来有点复杂但最终的结果是我们得到了来自类星体的光我们可以读出一系列的吸收特征，吸收特征越红，它被吸收得越远。

本:那么使用这种技术，读取类星体的条形码，你对宇宙有什么了解呢?

乔治-是的。宇宙有一个有趣的气候历史，你可以从大爆炸开始，那时它非常热。我们说的是数百万度，但在大爆炸后不久，温度确实变得相当低。宇宙的温度会降到几十或几百开尔文。当第一个星系被点亮时，我们不知道因为我们无法测量那么远的温度，但我们相信当星系被点亮时氢的再电离发生了，你会得到大约20000开尔文的温度。它可能高得多，也可能低得多。然后宇宙会再次开始冷却直到我们看到的氦再电离发生。在那里，理论上的期望是你会再次得到提升，比如说，再增加10000开尔文。所以你可能会冷却10000 k -这听起来热,比太阳表面的温度,说,20000开尔文,和宇宙开始降温后再因为它没有再加热源,然后奇怪的事情发生在最近的过去这些表崩溃的气体开始冲击和热非常有趣的方式,但这是一个不同的过程。

本:所以只要观察这些电离气体，你就可以推断出很多关于星系形成、星系进程的信息，而不仅仅是关于气体本身的历史。

乔治:我们刚刚开始能够做出这样的推断。氦的这个过程确实涉及到类星体类星体生活在星系中我们知道类星体的形成是黑洞它们吞噬了星系的内部并释放出大量的辐射，这些黑洞与星系的发展密切相关。它们以某种方式存在于其中。所以把类星体是如何形成的，黑洞是如何形成的，星系是如何与周围环境相互作用的，我们称之为星系间介质，这些都是得到完整图景的一部分。

剑桥Kavli宇宙学研究所的Ben - George Becker解释了如何理解再电离有助于填补宇宙历史上的空白。