第9章　黑暗时代与最早的恒星

第97夜：夜半球的照片

第97天，地面请乘组拍摄地球的夜景照片。地面上的科学家用这样的照片研究许多东西：城镇和道路的灯光，多年来灯光的扩展，风暴，以及黑暗中海岸线的形状。这项任务听起来很简单。实际上，它是空间站上比较困难的工作之一，因为空间站移动得太快了。

在每小时大约28,000公里的速度下，下方的地面飞快地滑过。拍摄夜半球需要长时间曝光，因为光线太少了，但当相机和地面彼此相对移动时，长时间曝光就会让画面模糊。所以努尔用了一个会缓慢转动、跟踪地面的相机支架，每拍完一张都先在屏幕上检查，再拍下一张。阿德飘在她旁边，念着空间站将飞过科学家们指定的每个区域的时间。

在计划好的照片之间，他们看到了任何日程表都无法计划的东西。远在一侧，一场风暴正闪着闪电，一片云接一片云地亮起来，就像一座黑暗的大房子里一盏盏灯被打开又关上。靠近地球边缘的地方，一道绿色的极光帷幕缓缓起伏，顶端带着一抹淡淡的红色。在这一切之上，沿着行星的弧线，是一条细细的、淡淡的发光的大气带，再往上，是漆黑的天空和星星。

努尔知道自己看到的是什么。当从太阳流出的微小粒子被地球的磁场引导到两极附近的区域，并让那里稀薄的高层大气发光时，就会出现极光，这有点像霓虹灯招牌里发光的气体。行星边缘那条淡淡的光带就是大气本身，它正非常微弱地把白天从阳光中收集到的一部分能量释放出来。

当空间站重新进入阳光中时，努尔把相机收好，一张张查看照片。大多数都不错。有几张模糊了，她把它们标记出来，好让科学家们知道。然后，她对着屏幕上的最后一张照片坐了一会儿：黑暗的地球，零星的几点灯光，上方是一片彻底的黑暗。这让她想起了她读到过的关于最古老的光之后的宇宙的事，那时还连一颗恒星都没有。

那天晚上，她没有回答问题，而是问了萨米一个问题。她问他，他夜间路线上最黑的地方是哪里。他回复说，是一条穿过田野的长路，没有城镇，也没有路灯，他有时会在那里关掉收音机，安静地开车。努尔告诉他，宇宙也曾有过那样的黑暗，只是要长得多，持续了几百万年。而在那片黑暗中最早出现的光，就是最早的恒星。

在最古老的光之后

在之前的一个夜晚，我们看到，在开端之后大约380,000年，雾散开了。原子形成了，最古老的光被释放了出来。起初，那些光温暖而明亮，是一个温度为几千度的物体发出的光芒。如果你当时能在那里，整个天空都会闪耀着柔和的橙色光芒。但宇宙继续膨胀，光也继续被拉长。经过几百万年，它的波变得比眼睛能看见的更长。在人类的眼睛看来，天空暗了下去。

那时还没有恒星来取代那些光。宇宙里充满了气体，几乎全是氢和氦，也就是最初几分钟里造出的那些简单元素。它们相当均匀地分布在空间中，但并不是完全均匀，因为存在着我们在最古老的光中看到的那些微小涟漪。还有别的东西，我们会在下一个夜晚正式认识它：大量看不见的物质，叫作暗物质，它不发光，但确实会用它的引力进行牵引。

黑暗时代持续了多久？它开始于最古老的光从视野中消退之时，结束于最早的恒星开始发光之时。既然最早的恒星很可能是在最初的几亿年之内形成的，那么黑暗时代很可能持续了一亿年或者更久。没有人知道它确切的长度。不管怎样，那都是一个非常漫长的夜晚，比全部人类历史还要长许多倍。

天文学家把这段漫长的时期称为宇宙黑暗时代。它之所以黑暗，并不是因为它是空的。它之所以黑暗，是因为其中还没有任何东西在发光。想象一座大剧院在当晚最后一场演出结束之后。观众已经离开，灯已经熄灭，舞台一片寂静。但这座建筑并不是空的。座椅、帷幕和舞台都还在那里，等待着下一场演出。

在黑暗时代，引力一直在慢慢地工作。在宇宙稍微致密一点点的地方，引力的牵引也稍微强一点。这些地方吸引来更多的物质，使它们变得更加致密，又使它们的引力变得更强。这就是引力耐心的工作：小小的差别随着时间推移变得越来越大。看不见的暗物质最先聚集成团块，而普通的气体落进这些团块里，就像水流进地面上的洼地。

随着气体聚集、变得更加致密，它的中心也变得更热，就像你挤压打气筒时里面的空气会变暖一样。在很长一段时间里，这些气体团块不断长大，却没有变成恒星。然后，在最致密的地方，中心的气体变得非常热、挤得非常紧，以至于一种新的过程开始了。氢原子核开始结合成氦，并放出能量，这个过程叫作核聚变，我们会在后面的某个夜晚来探讨它。当这件事发生时，一颗恒星就诞生了。黑暗时代之后的第一盏灯被点亮了。

最早的恒星

最早的恒星是什么时候出现的？天文学家认为，它们很可能是在开端之后最初的几亿年之内形成的。确切的时间并不知道，而且在不同的地方可能也不一样，因为最致密的团块会最先形成恒星。和宇宙大约138亿年的全部年龄相比，几亿年是相当早的。在我们将在最后一个夜晚讲述的那个“漫长的工作日”的故事里，它大约在午夜之后最初的半小时之内。

最早的恒星很可能与太阳非常不同。它们几乎完全由氢和氦组成，因为那时还没有更重的元素。更重的元素有助于气体云冷却下来，并碎裂成更小的块。没有它们，年轻宇宙中的气体云很可能保持着较高的温度，坍缩成大得多的团块。所以许多天文学家认为，最早的恒星往往非常大，也许比太阳重许多倍。

大恒星活得很快。一颗比太阳重得多的恒星，消耗燃料的速度要比小恒星快得多，因为它的中心要热得多、密得多。太阳已经发光大约46亿年了，只走到了它一生的一半左右。最早的恒星中最大的那些，也许只活了几百万年。然后它们就终结了，很可能是在巨大的爆炸中终结的，而这些爆炸把最早的较重元素撒进了太空。那是我们将在后面的夜晚跟随的一个故事的开端。

在这里诚实很重要。我们关于最早恒星所说的许多内容，来自仔细的计算和计算机模型，而不是来自直接的观测。天文学家相当有把握地认为，最早的恒星是由氢和氦组成的，而且其中许多都很大。但它们到底有多大，有多少颗，以及它们究竟是怎样形成的，都还在研究之中。不同的模型给出的答案有些不同。还没有人清楚地看到过一颗真正最早的恒星，并且确定它是什么。

最早的恒星还有一种美丽的效应，是天文学家可以研究的。巨大而炽热的恒星会放出大量强烈的光，其中许多是紫外线，就是晴天里会晒伤皮肤的那种光。这种强烈的光能够把恒星周围气体中氢原子上的电子打掉。渐渐地，在每一颗早期恒星、每一个早期星系周围，含有自由电子的气体泡长大了。这些气体泡不断扩展，连成一片。到宇宙大约十亿岁的时候，星系之间的大部分气体都已经以这种方式被改变了。早期恒星的光，驱散了最后的黑暗。

回望过去的人们

天文学家是怎样寻找最早的恒星和星系的呢？答案要回到这本书最初的那几个夜晚。光的传播需要时间。一样东西离得越远，它的光到达我们所走的时间就越长，所以我们看到的就是它越久以前的样子。要看到最早的星系，天文学家必须观察最遥远的星系。它们极其暗弱，所以需要非常大、非常灵敏的望远镜。

1990年，一台望远镜被发射到绕地球运行的轨道上，位于那些让地面上的视野变模糊的空气之上。它叫作哈勃空间望远镜，以我们在之前的夜晚里认识的天文学家埃德温·哈勃的名字命名。20世纪90年代中期，它的团队做了一件起初看起来几乎是浪费的事情。他们把望远镜对准一小片看上去完全空无一物的天空，一连对了许多天，那片天区比满月还要小得多。当他们把所有照片叠加在一起时，那片空空的天区里满是星系，有好几千个，其中许多离我们非常遥远，它们的光已经走了几十亿年。

但即使是那台望远镜也有它的极限。正如我们在讲星系彼此远离的那个夜晚所看到的，来自非常遥远星系的光会被空间的膨胀拉长。离开最早星系时还是蓝光或紫外线的光，今天到达时已经变成了红外线，它的波太长了，我们的眼睛看不见。红外线是我们能感觉为温暖的那种光，比如来自炉子的温暖。要清楚地看到最早的星系，天文学家需要一台专门为红外线建造的望远镜。

那台望远镜就是詹姆斯·韦布空间望远镜。经过大量工程师、技术员和科学家多年的规划和建造，它于2021年12月发射升空。它的大镜面太大了，装不进火箭里，所以它是由许多块拼成的，在太空中展开，就像一朵花绽放。因为这台望远镜要寻找的是微弱的热量，它必须保持在极低的温度下，所以它带着一面巨大的遮阳罩，挡住太阳的热量。它还被送到了比月球远得多的地方，那是一个安静的位置，在那里，太阳、地球和月球都始终位于同一侧，在遮阳罩的后面。

这段旅程本身就是一项漫长而细致的工作。望远镜花了大约一个月才到达它的位置，在这期间，它一步一步地展开：遮阳罩、各块镜面，还有许多更小的部件。每一步都在地面上测试过，而每一步都必须在太空中成功，因为在那里没有人能去修理它。许多参与建造它的人在那几周里都密切地关注着，他们职业生涯中的许多年都花在了这一台机器上。

自从开始工作以来，韦布望远镜已经发现了一些星系，它们的光离开它们时，宇宙只有几亿岁。其中一些早期星系比许多天文学家预想的更亮、发育得更成熟。这引发了关于最早的星系成长得有多快的热烈讨论。这些讨论仍在进行中。这是一个很好的例子，说明一台新的仪器不仅会回答老问题，也会提出新问题。

仍在寻找真正最早的那些

即使是韦布望远镜，也还没有清楚地看到过单独的、真正最早的恒星。它所看到的最早的星系里已经包含了许多恒星，其中一些恒星可能已经含有由它们之前的恒星造出的较重元素。真正最早的恒星只由氢和氦组成，它们很可能太暗、太远，无法一颗一颗地被看到。天文学家们希望用其他方法找到它们的迹象，比如在最早星系的光中，或者在它们爆炸时的明亮闪光中。

还有其他的搜寻方法。黑暗时代的氢气会发出一种它自己的、非常微弱的无线电信号。好几组科学家正在建造射电仪器，试图探测到它。这是一项非常艰难的工作，因为这个信号太弱了，而来自地球和我们自己星系的无线电噪声又太强了。这有点像发现最古老的光的那两位工程师，想在一个满是嘶嘶声的房间里听清一个轻柔的声音。到目前为止，还没有人以一种大家都认可的方式测量到这个信号。

天文学家们也研究离家近的、我们自己星系里的古老恒星。银河系里有些恒星非常古老，只含有极少量的较重元素。它们不是真正最早的恒星，但它们可能是最早恒星的子女或孙辈，由只经过一代或几代更早恒星丰富过的气体形成。通过研究这些古老恒星中少量的较重元素，天文学家可以了解到一些关于在它们之前的那些恒星的情况。这有点像通过观察后代身上的家族相似之处，来了解曾祖父母。

所以，对最早恒星的搜寻正在许多地方同时进行：用太空中的望远镜望向远方，用射电仪器倾听黑暗时代，用地面上的望远镜研究附近最古老的恒星。每种方法都给出了图景的一部分。还没有一种方法能给出完整的图景。科学的很大一部分就是这样运作的：许多细小而认真的工作，由许多人在许多年里完成，慢慢地拼合在一起。

入睡之前

睡觉之前，努尔又往窗外看了一眼。空间站又一次来到了夜半球上空，这一次她关掉了小圆舱里的灯，好让眼睛适应黑暗。几分钟后，更多的星星出现了，然后更多，直到漆黑的天空布满了星星。从空间站上看，它们不闪烁。它们稳定地发着光，每一颗都是一个太阳，有的近，有的远。

阿德悄悄地飘了进来，在她旁边看了一会儿。他说，每次看到这么多星星，他都很难相信曾经一颗都没有。努尔说，她觉得很难相信的是，居然有人把这件事弄明白了。然后他们都回到了各自的睡眠舱，因为下一个工作日很早就要开始。

她给萨米写道：“下次你开在那条黑暗的路上时，想一想这件事。在一亿年或更久的时间里，整个宇宙比那条路还要黑。然后，最早的恒星一颗接一颗地亮了起来，就像黄昏时一座小镇最先亮起的那几盏灯。”萨米回复说，在他那条黑暗的路上，他通常看到的第一盏灯是他买咖啡的那个加油站，以后他会把它当作一颗星星。

在漫长的一天工作之后，也许你也会在黑暗中步行或开车回家。当你所在街道或你家的第一盏灯出现在前方时，那是一种小小的、平常的安慰。宇宙在很久以前也有过它自己的那一刻，那时最早的恒星开始在黑暗中发光。之后出现的一切，星系、太阳和地球，都是从那个开端成长起来的。

常见的误解

许多人以为，宇宙黑暗时代之所以黑暗，是因为宇宙是空的。它一点也不空。它充满了氢气和氦气，充满了看不见的暗物质，也仍然充满了最古老的光，只是那时它已经被拉长到眼睛看不见的程度了。黑暗时代之所以黑暗，是因为还没有任何东西在发光。它也是一个以安静的方式忙碌着的时期，因为引力正在慢慢地把物质拉进团块里，最早的恒星将在那里形成。

许多人还想象，最早的恒星和太阳差不多。它们很可能非常不同。它们几乎只由氢和氦组成，没有太阳所含有的那些较重元素。它们中的许多很可能比太阳大得多、热得多，寿命也短得多。太阳是一颗晚得多的恒星。正如我们将在后面的某个夜晚看到的，它是由已经被它之前许多代恒星丰富过的气体形成的。

最后，有些人以为，只要找到一个非常黑暗的地方抬头看，就能用自己的眼睛看到最早的恒星。遗憾的是，他们做不到。最早的恒星很久以前就终结了，它们的光即使能到达我们这里，也太暗、被拉长得太厉害了，不用最大的望远镜根本看不见，而即便是那些望远镜，也还没有清楚地看到过它们。你在黑夜里看到的星星要近得多、年轻得多，几乎全都在我们自己的星系里。但它们中的每一颗，都是同一个漫长故事的一部分。在下一个夜晚，我们会看到最早的那些恒星团块是怎样成长为星系的，以及某种看不见的东西是怎样帮助它们成长的。