宇宙從誕生到現在，經歷了不同的階段。在大爆炸後的頭38萬年裡，它是一個熱而密集的電離等離子體。這一時期之後，它冷卻下來，足以讓充滿宇宙的質子和電子結合成中性氫原子。在這些“黑暗時代”，宇宙大部分時間都沒有可見光的來源。

隨著第一批恆星和星系的出現，大約1億年後，這些氣體又逐漸被恆星的紫外線輻射電離。這個過程將電子從質子中分離出來，使它們成為自由粒子。這個時代通常被稱為“宇宙黎明”。今天，所有散佈在星系之間的氫氣，即所謂的星系間氣體，都被完全電離了。然而，那是什麼時候發生的，是科學家們激烈討論的話題，也是一個競爭激烈的研究領域。

“宇宙黎明”的終結

現在，由德國海德堡馬克斯-普朗克天文研究所（MPIA）的Sarah Bosman領導的一個國際天文學家小組，已經將再電離紀元的結束時間精確到大爆炸後11億年。“我對宇宙經歷的不同階段導致太陽和地球形成的想法非常著迷。能夠為我們的宇宙歷史知識貢獻一個新的小部分，這是一個很大的榮幸，”Sarah Bosman說。她是這篇研究文章的主要作者，文章最近發表在《皇家天文學會月刊》上。

論文的共同作者、MPIA的天文學家Frederick Davies評論說：“直到幾年前，普遍的看法是，再電離幾乎在2億年前完成。在這裡，我們現在有最有力的證據表明，這個過程結束得更晚，在一個更容易被當代觀測設施觀測到的宇宙時代。”考慮到自大爆炸以來的幾十億年，這一時間修正可能顯得微不足道。然而，在早期的宇宙演化中，再有幾億年就足以產生幾十個恆星世代了。“宇宙黎明”時代的時間限制了在其持續的數億年中存在的電離源的性質和壽命。

這種間接的方法是目前唯一的方式來描述推動再電離過程的天體的特徵。直接觀察那些最早的恆星和星係是當代望遠鏡無法做到的。它們實在是太微弱了，無法在合理的時間內獲得有用的數據。即使是像歐空局的極大型望遠鏡（ELT）或詹姆斯-韋伯太空望遠鏡這樣的下一代設施也可能難以完成這樣的任務。

作為宇宙探測器的類星體

為了研究宇宙何時被完全電離，科學家們採用了不同的方法。一種是測量中性氫氣在著名的21厘米光譜線上的發射。相反，Sarah Bosman和她的同事們分析了從強背景源收到的光。他們採用了67個類星體，即圍繞著遙遠的活躍星系中的中心大質量黑洞的明亮的熱氣體盤。觀察類星體的光譜，它直觀地顯示了其強度在整個觀測波長上的分佈，天文學家們發現了光似乎消失的模式。這就是科學家們所說的吸收線。中性氫氣在從光源到望遠鏡的過程中吸收了這部分光線。這67顆類星體的光譜具有空前的質量，這對於這項研究的成功至關重要。

該方法涉及觀察相當於121.6納米波長的光譜線。這個波長屬於紫外線範圍，是最強的氫氣譜線。然而，宇宙膨脹使類星體的光譜向更長的波長移動，光走得越遠，就越長。因此，觀察到的紫外線吸收線的紅移可以轉化為與地球的距離。在這項研究中，當紫外線到達望遠鏡時，該效應已將其移至紅外範圍。

根據中性和電離氫氣之間的比例，吸收的程度，或者反過來說，通過這種雲的傳輸，達到一個特定的值。當光線遇到一個具有高比例電離氣體的區域時，它不能那麼有效地吸收紫外線輻射。這一特性正是研究小組正在尋找的。

類星體的光線在其路徑上以不同的距離穿過許多氫雲，每一個氫雲都會在紫外線範圍內留下其較小的紅移的印記。在理論上，分析每條紅移線的傳輸變化應該可以得出氫氣完全電離的時間或距離。

模型有助於區分相互競爭的影響因素

不幸的是，情況甚至更加複雜。自從電離結束後，只有星系間的空間是完全電離的。有一個連接星系和星系團的部分中性物質的網絡，稱為“宇宙網”。在氫氣是中性的地方，它也會在類星體的光線中留下它的痕跡。

為了解開這些影響，研究小組應用了一個物理模型，該模型再現了在更晚的時代測量到的變化，當時星系間氣體已經完全電離了。當他們將該模型與他們的結果進行比較時，他們發現了一個偏差，即121.6納米線的波長被移位了5.3倍，相當於11億年的宇宙年齡。這一轉變表明，當測量的類星體光的變化變得與來自宇宙網的單獨波動不一致的時候。因此，那是中性氫氣一定存在於星系間空間並隨後被電離的最新時期。那是“宇宙黎明”的結束。

未來是光明的

Frederick Davies說：“這個新的數據集提供了一個關鍵的基準，在未來的幾年裡，宇宙最初十億年的數值模擬將在此基礎上得到檢驗。他們將幫助確定電離源的特徵，即第一代恆星。”

Sarah Bosman指出：“我們工作最令人興奮的未來方向是將其擴展到更早的時代，向電離過程的中點發展。不幸的是，更遠的距離意味著那些更早的類星體明顯更暗。因此，像ELT這樣的下一代望遠鏡的擴大收集區域將是至關重要的。”