宇宙曾經在數億年的時間裡一片黑暗，而一種原子可能就是開啟這個被遺忘時代的鑰匙。很久以前，在第一顆恆星形成之前的幾百萬年裡，整個宇宙一片黑暗。這段宇宙“黑暗時代”從大爆炸後約40萬年開始，持續了數億年，標誌著最近一次真正的真空；宇宙中沒有行星，沒有恆星，沒有星係也沒有生命，只有一團由大爆炸形成的氫原子組成的霧，在無盡的黑暗中飄蕩。

默奇森廣域陣列是澳大利亞內陸的一個射電望遠鏡網絡，科學家利用該陣列在天空中搜尋中性氫的踪跡，這可能是宇宙黑暗時代最後的遺存

今天，世界各地的望遠鏡都在試圖一窺這些原始的氫（被稱為中性氫原子），以確定黑暗時代最終結束，以及第一個星系形成的時刻。雖然這些古老的原子非常難以捉摸，但在澳大利亞內陸進行觀測的一組研究人員可能已經十分接近找到它們。

根據發表在預印本數據庫arXiv上的一項新研究，天文學家使用默奇森廣域陣列（Murchison Widefield Array，簡稱MWA）射電望遠鏡深入觀察宇宙的過去，搜尋中性氫的標誌性波長。這項研究的結果已經發表在近期的《天體物理學雜誌》（Astrophysical Journal）上。遺憾的是，研究人員沒有找到想要找的東西，但利用望遠鏡陣列最近更新的設置，研究小組確定了中性氫信號強度的最低限度。

研究報告的合著者、美國布朗大學物理學助理教授喬納森·蒲柏（Jonathan Pober）說：“我們可以有把握地說，如果中性氫信號比我們在論文中設定的極限更強，那望遠鏡就會探測到它們。”這意味著尋找這些古老分子的工作仍在繼續，而研究人員現在知道，中性氫的痕跡其實比預期的更加模糊。

第一個原子

貫穿早期宇宙的能量是如此之強，以至於每個原子的電子都被奪走，從而獲得一個正電荷。第一個原子是帶正電荷的氫離子。在數十萬年的時間裡，宇宙冷卻並膨脹到足以讓這些氫離子重新獲得電子，再次變成中性。這些中性的氫原子被認為是宇宙黑暗時代的主要特徵。最終，當足夠多的原子聚集在一起，形成第一批恆星時，這些原子又會被這些恆星的輻射能量重新電離。

科學家已經知道，中性氫發出的輻射波長為21厘米。然而，隨著宇宙在過去的120億年裡不斷膨脹，這些波長也被拉長了。據這項新研究的作者估計，中性氫的波長已經延伸到大約2米，而他們正是利用WMA望遠鏡在天空中搜索這一信號。

問題是，有許多光源（包括人造的和天然的）都以相同的波長輻射。“所有這些其他光源都比我們試圖探測的信號強很多個數量級，”蒲柏說，“即使是從一架恰好經過望遠鏡上方的飛機反射回來的調頻無線電信號，也足以污染數據。”

因此，蒲柏和同事們寫了一組方程，以在觀察結果中識別並去除這些干擾。在拍攝了1200多張天空的無線電波快照後，研究人員確定，他們發現的每一個2米波長的痕跡信號都來自於中性氫以外的其他來源。

雖然最重要的中性氫原子信號仍未被發現，但這項新研究成功縮小了未來尋找中性氫的範圍。研究人員稱，這些結果有力地表明，MWA望遠鏡的觀測正引導我們沿著正確的道路尋找中性氫。隨著進一步的研究，宇宙黑暗時代的最後遺跡可能很快就會被發現。

什麼是宇宙的“黑暗時期”？

宇宙演化歷史中的“黑暗時期”指的是大爆炸結束時的等離子體複合到第一代恆星開始形成的使其。此前的宇宙中充滿高能量的光子，導致宇宙中的普通物質（主要是氫和氦）處於電離狀態。大爆炸後約40萬年時，隨著宇宙膨脹，這些光子的能量不足以再電離氫和氦，於是自由電子與氫、氦原子構成中性原子。隨著自由電子消失，光子可以自由傳播，不再發生散射，從而使宇宙變得透明。這些光子最終紅移至微波波段，形成今天我們所觀測到的宇宙微波背景輻射。此時的宇宙十分均勻，沒有恆星，除了氫、氦和少量在大爆炸核合成時期產生的輕核如氘、氦-3、鋰之外也沒有其他元素，因此被稱為黑暗時期。

目前，現有的天文觀測可以看到黑暗時期之前的宇宙，即宇宙微波背景輻射；也能夠看到黑暗時期之後的宇宙，包括恆星、星系、類星體等，但仍然無法觀測到黑暗時期的宇宙。了解並觀測這段時期發生的物理過程是天文學中非常重要的科學問題。