追逐宇宙的第一代恒星

几年前，阿维·勒布（Avi Loeb）与家人在塔斯马尼亚中部高地的摇篮山附近度过了一段时间，这个崎岖的岛屿位于澳大利亚以南150英里处。他们的木屋没有互联网连接，这让勒布在晚饭后有空闲时间走到户外，仰望被城市光污染完全未曾染指的清澈夜空。他被眼前的景象震撼了：我们银河系中无数的恒星，轻盈地铺展在天空中。在一旁，他还能看到我们最近的银河系邻居——仙女座星系，那是一片闪烁着虹彩的光斑，大小约与月亮相当。

勒布是哈佛大学天文学系主任兼理论与计算研究所所长，他沉浸在眼前的景色中数小时，当他看到自己作为理论家所研究的事物突然变得触手可及时，感到非常震撼。在欣赏这片星空时，他下定决心要回答一个长期以来一直是他研究核心的问题：第一代恒星和星系是如何以及何时发光的？

《圣经》将这些发光体的出现归因于神圣的宣告：“要有光。”但勒布想讲述创世记的科学版本。

追逐星光

勒布52岁，看起来很年轻，留着短而密的棕色头发，身材紧凑结实。他并非一直都计划成为一名天体物理学家。在以色列的一个农场出生和长大，他周末会寻找安静的地方阅读和思考。“我很快意识到哲学提出了基本问题，但往往无法解决它们，”勒布说。他意识到，科学或许能让他更好地提供一些答案。

他通过“塔尔皮奥特”获得了攻读数学和物理的机会，这是一项精英军事项目，他于1980年18岁时进入，为期八年。在不跳伞、驾驶坦克或参加海军演习时，他攻读物理学博士学位。他的研究——产生了一种新型的高速弹丸发射枪——为他赢得了应罗纳德·里根总统的战略防御倡议（又称“星球大战”）之邀前往美国的免费旅行。在这些美国之行中，他参观了普林斯顿高等研究院等研究中心，已故天体物理学家约翰·巴赫卡尔在那里为他提供了为期五年的奖学金，条件是他从物理学转到天体物理学。

勒布欣然接受。1988年至1993年，他在研究所工作，自学天文学。“我必须从头开始学习所有东西，”他说，“我甚至不知道太阳是如何发光的。”他发表了一些论文，但直到1993年他作为助理教授来到哈佛大学时，才确定了他的主要研究方向：第一批光源。勒布回忆说，当时这几乎算不上一个领域，因为全世界只有少数研究人员活跃在这个领域。他选择专注于最早恒星的诞生，而不是约138亿年前宇宙的诞生，因为他想更接近“我们的宇宙根源”，正如他所说：“我们是由第一批恒星而非大爆炸产生的重元素组成的。”

此外，虽然目前无法直接观察大爆炸，但宇宙学家们确实可以通过今天的望远镜和正在建造的新望远镜来寻找第一批恒星和星系。勒布将这种搜寻比作考古学，更深的挖掘会发现更古老的文物。宇宙学也类似：因为光以有限的速度传播，所以观察遥远的光源实际上是在回顾过去。因此，发现一个曾经距离130亿光年的星系（现在由于宇宙膨胀而距离更远）让我们得以一瞥130亿年前的宇宙。

恒星诞生

勒布对这项事业的最早贡献之一是在20世纪90年代中期，当时他与研究生佐尔坦·海曼（Zoltan Haiman）和博士后安妮·图尔（Anne Thoul）共同研究了可能创造第一批恒星的过程。这个故事始于大爆炸之后不久，大爆炸留下了一个物质分布或多或少均匀但并非完全均匀的宇宙：宇宙的某些区域最初比平均密度略高，仅高出0.001%。随着引力将更多物质拉入这些密集区域，以及主要由氢原子组成的气体云开始聚集，这种不均匀性导致了更多的聚集。

为了简化计算，勒布和他的合作者假设这些云是球形对称的，在适当的条件下可以坍缩形成恒星。这是一个微妙的平衡：引力试图使气体收缩，但随着气体体积缩小，温度升高，向外的压力也随之增加，抵抗进一步的坍缩。要形成一颗恒星，气云的中心需要变得足够致密以触发热核聚变，其中原子核融合，释放出巨大的能量。但如果气云没有某种冷却方式，从而降低气体压力，它将永远无法达到那个临界密度。

很快，勒布的团队就想出了一种可能发生的方式。当气体变得更致密时，两个氢原子偶尔会结合形成一个氢分子。这些分子最初只占气体的一小部分，但它们可以从周围的气体中吸收热量并通过发光将其释放，从而使云层冷却到足以形成恒星。

勒布和他的团队通过纸笔计算对这些过程进行了建模，直到无法再深入，此时勒布决定寻求那些拥有更先进计算机硬件和方法的天文学家的帮助。“阿维给了我们这个美妙的物理问题，”现任德克萨斯大学奥斯汀分校的沃尔克·布罗姆（Volker Bromm）说，“他通过描绘宏伟蓝图，启动了整个计算天体物理学项目。”

多年来，布罗姆和其他理论家的模拟已经演变为表明，遵循勒布一般路径的云层可以产生大小不等的多种恒星。总的来说，这个过程可能足以产生早期的星系本身。

勘探云层

为了希望能看到孕育第一批恒星的气体云，勒布在过去十年中将大量精力投入到一个名为21厘米宇宙学的新领域，它是射电天文学的一个分支，专注于识别最初波长为21厘米的电磁辐射。这项技术利用了一个事实，即这些气体云（恒星的祖先）主要由氢原子组成。每个氢原子仅由一个质子和一个电子组成，可以存在于两种略微不同的状态：一种是高能状态，其中电子和质子基本上以相同的方向自旋；另一种是低能状态，其中它们以相反的方向自旋。当原子从高能状态跃迁到低能状态时，它会以21厘米长的无线电波形式发射一个光子，即光粒子。通过在天空中寻找射电望远镜能接收到这些21厘米辐射的地方，天文学家可以识别来自遥远富氢区域的光，这些区域古老到可以追溯到恒星开始形成的时代。

勒布和他当时的哈佛大学同事、阿根廷出生的天体物理学家马蒂亚斯·扎尔达里亚加（Matias Zaldarriaga）解释了21厘米宇宙学如何能提供比以往任何时候都更详细的宇宙图景，这引起了观测界的兴趣。这种方法为天文学家提供了迄今为止唯一一种可以窥视所谓“黑暗时代”的方法——大爆炸与大约1亿年后星光开始沐浴宇宙之间那个朦胧的时期。

另一个潜在的收获可能是描绘整个宇宙的演化。请记住，宇宙自大爆炸发生以来一直不断膨胀，并且在“黑暗时代”结束后很久仍在膨胀。不仅空间会拉伸，光和其他形式的电磁辐射也会拉伸。现在假设来自氢云的21厘米无线电波是在我们的宇宙仅有5亿年历史时发出的。当这些无线电波在大约130亿年后到达我们这里时，宇宙已经膨胀了10倍。这些最初为21厘米信号的无线电波也会被拉伸10倍，在地球上的接收器中显示为210厘米的无线电信号。而起源于宇宙历史后期（例如）的无线电波可能只被拉伸5倍，以105厘米的信号到达这里。勒布和扎尔达里亚加告诉他们的同行，通过捕捉气体云发出的无线电信号，他们可以比以往任何时候都更清晰地探索宇宙的历史。

再电离时代

随着新的射电天线阵列为此目的部署，宇宙学家们计划通过确定恒星形成何时开始来启动他们的搜索。为了理解他们所采用的方法，让我们回顾一下大爆炸后的炽热余波，当时大多数普通物质由氢原子组成。

由于当时存在的高温和强辐射，这些原子最初处于“电离”状态：带负电的电子被剥离，离开了带正电的质子，留下带正电的氢离子（本质上就是质子）。宇宙爆炸性诞生约38万年后，温度降得足够低，电子和质子得以结合形成所谓的“中性”氢——带有电子的氢，因此没有净电荷。氢原子一直保持这种中性状态，直到恒星和星系开始形成。除了发出可见光，恒星还会发出紫外线（UV）辐射，这些辐射会将遇到的中性氢分裂成电子和质子——再次将其电离，从而开启研究人员称之为“再电离时代”的时期。

一个电离的氢原子，由一个失去相关电子的质子组成，无法进行上述的21厘米跃迁，因为该跃迁依赖于电子-质子对的相对自旋。因此，天文学家通过确定21厘米辐射何时开始关闭来寻找再电离的迹象——这表明恒星正在同时开始发光。换句话说，他们的策略是寻找第一批恒星的“效应”，而不是恒星本身。

勒布说，这种21厘米无线电信号的预期关闭不会同时在所有地方发生。为了形象化所发生的事情，他建议想象一块瑞士奶酪。奶酪上的孔洞代表着恒星和星系周围，紫外线辐射已经电离了氢原子，导致21厘米辐射停止。奶酪的实体部分代表着离辐射较远的地方，那里仍然存在中性氢。

勒布说，随着时间的推移，这些孔洞不断扩大，最终相互重叠，直到没有“奶酪”（中性氢）留下。我们知道这是事实，因为今天的宇宙几乎完全再电离，并且已经持续了超过120亿年。事实上，勒布声称宇宙99.99%的体积在大爆炸后的9.5亿年中被再电离。

在那段时间里，恒星何时点亮？加州大学伯克利分校的亚伦·帕森斯（Aaron Parsons）就是一位受启发去寻找答案的观测者。帕森斯是“精确探测再电离时代阵列”（PAPER）的联合首席研究员，这是一个位于南非卡鲁沙漠的128个天线的望远镜。帕森斯这样解释他的目标：第一批恒星产生了紫外线辐射，并且在某个时刻，这些恒星产生了足够的辐射来电离星系之间的气体。“问题是，‘那是什么时候发生的？’”他说。帕森斯没有直接观察恒星，而是试图捕捉21厘米信号消失的时刻，这应该与大部分氢被电离的时间相对应。

首先，帕森斯和他的合作者们基本上是在观察许多单个的、二维的“瑞士奶酪”切片，并计算孔洞的数量，以获取奶酪的斑驳程度的统计量——孔洞的数量表明再电离已经进行到何种程度。如果这种方法被证明是成功的，那么计划是扩展PAPER或建造一个全新改进的仪器，它可以直接在三维空间中绘制中性氢和缺少中性氢的“奶酪孔”的分布。这将提供一个更全面的宇宙再电离图景和时间顺序。了解再电离何时开始将使科学家能够精确推断出最早的恒星何时点亮。

下一个前沿领域

与此同时，勒布还在研究宇宙学的下一个重大前沿领域，利用中性氢观测来探索宇宙历史中更早的一个篇章：恒星形成之前的“黑暗时代”。他表示，这可能是有史以来最有趣的时代——原始的氢团块开始形成，成为最终孕育第一批恒星和星系的云团。

为此，勒布是“黑暗时代射电探测器”（DARE）任务的研究员之一，该任务旨在将一个射电天线送入绕月轨道。DARE将飞越地球电离层（该层会阻挡或干扰某些电磁频率），从而提供比现有天线更清晰的测量数据。勒布帮助优化了仪器的设计，但他强调DARE仍然只是一个想法，而且尚未获得资金。

即使DARE尚未投入运行，现有项目也已开始收集新数据。例如，哈勃空间望远镜最近发现了一个在大爆炸后仅仅3.8亿年就点亮了灯光的星系。哈勃的继任者詹姆斯·韦伯空间望远镜的镜面直径将是哈勃的近三倍，集光面积是哈勃的七倍。这面6.5米的镜面应该能让它探测到更微弱（因此更古老）的星系。

勒布和他的大学，哈佛，也是巨型麦哲伦望远镜（GMT）的合作伙伴，这是一款24.5米的仪器，正在智利的一座山顶上建造。GMT的目标是在未来十年内开始观测，由于其面积比目前最大的光学望远镜大五倍左右，它应该会大大加速寻找宇宙第一批星系的速度。

与此同时，另外两个更宏伟的项目——夏威夷的三十米望远镜和智利的39米欧洲极大望远镜——也在推进中，尽管资金仍然是一个挑战。

对勒布而言，这些备受瞩目的进展使他从二十年前那个寂静、数据匮乏的领域中看到了可喜的变化。他已经提前做好准备，制定了处理和解释未来几年他预计会收到的海量数据的策略。尽管不可能知道这些数据会带来什么发现，但勒布希望他协助起草的关于第一缕光的修正报告能在新获得的信息面前站得住脚——但他表示，如果恒星再次给他带来惊喜，他会同样高兴。

在最近一个反思的时刻，勒布决定给《圣经》的创世故事打分。考虑到作品的年代，他给了它一个B+。

“宇宙有开端的洞察力令人印象深刻，”他说，“但随后的细节存在缺陷。”凭借现代科技的优势，加上二十年的理论输入，勒布乐观地认为他和他的同事们可以将那个B+变成A（或至少是A-）。

[本文最初以《第一缕光》为题刊登]