黑暗中的孕育

总结如下：首先，第一代恒星是在宇宙大爆发后约3亿年形成的。这在137亿年的宇宙演化史中应该说是很早的早期。那个时期宇宙中存在着许多相当于太阳100万倍质量的暗物质团块，它们不断吸积周边的原始气体，逐渐形成了恒星的摇篮——气体分子云。然后，在气体分子云中心形成了原恒星（相当于恒星胚胎），其质量约为太阳质量的百分之一，中心温度约为绝对温标1万度，中心密度为每立方厘米0.001克左右，介于水与空气的密度之间。原恒星的周围有大量热气体，并且逐渐向中心聚集，导致恒星质量逐渐增加，最终发育成巨大的恒星。实际上，用模拟得到的气体积累的速度对原恒星的演化进行理论计算，发现当时可以形成质量大约是太阳质量100倍以上的恒星。可见，第一代恒星可能在诞生时较小，诞生后继续发育成巨大的恒星。

今后的研究焦点是了解第一代恒星能发育到多大程度。当恒星质量达到太阳质量的300倍以上时，它在一生的最后时光将发生引力坍缩而形成黑洞，这可能是具有超大质量黑洞的起源的一个候选理论。

第一代恒星发出的光芒

第一代恒星的另一个重要作用是发出“原初的光”。这原初的光点亮了黑暗的宇宙，并且给随着宇宙膨胀而降温的宇宙气体加温。当恒星质量达到太阳质量的100倍以上时，其光度将是太阳光度的100万倍以上。当宇宙处在几亿岁的幼年期时，明亮无比的第一代恒星在漆黑的宇宙空间放出光芒，结束了宇宙的黑暗时代。同时，从恒星发出的紫外线使中性气体发生电离，形成电子和质子混合存在的等离子状态，这个过程称为宇宙的再电离。

四十年前，宇宙再电离现象就已经成为天文观测的对象。1960年，科学家通过观测遥远处明亮的类星体，弄清了宇宙中存在的元素种类和数量。然而令人吃惊的是，科学家在1965年进行的研究中没有找到氢元素大量存在的证据。宇宙空间中真的不存在氢元素吗？

其实，观测结果告诉我们，在宇宙空间里飘荡的星云际气体几乎完全处于电离态。也就是说，不是没有氢元素，而是没有中性的氢元素。大量的氢元素几乎全部处于电离态，也就是裸露质子的状态，因此在原子吸收谱上才未留下特征吸收痕迹。此后的观测结果也证明，星云际气体的确在宇宙早期已经完全处于电离态。不过，再电离具体是何时发生的？这是一个很大的天文之谜。

2000年，日美欧共同观测项目SDSS的课题组发现了距离我们120亿光年以上的类星体，并从它的原子吸收光谱中发现了极微量的中性氢的吸收痕迹。从1960年开始人们一直寻找的星系间气体中的中性氢元素终于被发现了！根据这一发现，我们了解到再电离过程的最后阶段发生在宇宙年龄10亿年左右。剩下的最大疑问就是再电离是如何发生的。毫无疑问，第一代恒星在宇宙再电离的初始阶段起着重要的作用。但是要使大量的氢元素电离，需要非常多的大质量的恒星。根据标准宇宙模型展开的宇宙构造形成理论，引起再电离的光不仅来自每个第一代恒星，而且包括此后产生的质量更大的天体，比如说可以称为“星系”的恒星集团（原星系）。星系的形成涉及更多因素，比原恒星的形成更加复杂。

用下一代望远镜进行天文观测，可以探讨原星系的形成过程。美国建造了新一代空间望远镜James Webb Space Telescope（JWST）、日本也在建设直径30米以上的巨型地面望远镜。这些望远镜的重要任务之一，就是研究宇宙的黑暗时代。此外，直接观测星系际气体被电离状态的研究计划也在进行中。为此需要设法捕捉到由中性氢元素发出的波长为21厘米的特征射电波。用射电望远镜阵描绘初期氢元素分布的计划也在推进中，到2020年人类有望能看到“宇宙的黎明”的模样。

谜一样的天体“Himiko”

许多研究结果显示，初期宇宙的天体在早期就已到达演化晚期。美国卡耐基研究所和日本国立天文台的科研人员从初期宇宙中发现了不可思议的巨型天体，称之为Himiko。Himiko直径达5.5万光年，而且十分明亮，作为宇宙早期的天体其规模之大是罕见的，相当于现在星系盘的直径。这类天体因莱曼α射线而发出强光，被称为莱曼α Blob，这个Blob是“能向四周扩散的黏状液体”的意思。Himiko为何会发出强烈的莱曼α射线，目前尚无明确答案。在宇宙8亿岁的时期，如果真的存在那么巨大的星系，那么，现代宇宙结构的形成，以及星系形成的理论，都可能需要作较大的修整。

人们用莱曼α射线从早期宇宙中发现了比Himiko小得多的明亮天体，日本的“昴星望远镜”（Subaru）对此作出过很大贡献。位于宇宙最远处的星系也是用昴星望远镜发现的。但是，迄今为止观测到的最远的星系依然不是宇宙最初出现的星系。它们的体积和光度达到现代望远镜都能观测到的程度，说明这类天体已经活动了很长时间，并已演化到了质量足够大的程度。根据理论推测，原始星系的质量大概相当于太阳的1亿倍。如果这些星系在原始宇宙中反复地相互碰撞和并合，最终形成了Himiko这样的巨型天体的话，宇宙应该在结束暗黑世代后立即进入了碰撞和并合的活动期。

超大黑洞的起源

最后介绍一下天文学上尚未解决的、关于“黑暗时代”的另一个问题。2002年美国SDSS课题组宣称发现了宇宙中最远的类星体，名为“SDSS-J1148 + 5521”（阿拉伯数字表示这个天体在天球上的坐标，也就是天体的球面位置）。这个类星体距我们大约有130亿光年，其特点是：从射电波到可见光的各种波长都能观测到它；中心部位有一个相当于太阳质量30亿倍的巨大黑洞；其外围有很丰富的碳、氧、镁、铁等较重元素存在；远红外望远镜的观测结果显示，其周围存在大量的宇宙尘埃。由于这些天体在早期宇宙中就已存在，它们的由来目前还是个谜。这是用现有的宇宙形成理论解释不了的现象。

实际上，人们对质量在太阳的10亿倍以上的超大质量黑洞的形成一无所知。迄今为止，我们知道许多星系的中心部位都存在巨大的黑洞，也知道这些黑洞的质量与星系中心部位的质量之间存在明显的相关性，这说明黑洞的形成对于星系的形成起着十分重要的作用。但是，SDSS类星体质量之大以及在宇宙早期就已存在的事实，不禁会让人联想到这类黑洞比星系诞生得更早。

超大质量黑洞的起源是现代天文学的最大谜团之一，对此，国际上提出了多种多样的理论模型。其中有一种说法认为，第一代恒星在其进化的最后阶段由于自身引力引发星体坍缩而形成黑洞，之后继续吸积周边的气体，质量不断增加，变得越来越大，最终形成了超大质量黑洞。但是，黑洞吸积周边物质的速度有限。根据现有的宇宙形成理论，以从原初恒星坍缩后形成100倍太阳质量黑洞为例，这个过程要在8亿年这个宇宙年龄前达到太阳质量数十亿倍大小的话，需要以接近极限速度吸积外部物质进行生长和演化，而这在天文学上是很难想象的。不少科研人员认为，像SDSS-J1148+5521 这样的类星体在数量上并不多，只有顺利成长的类星体才能演化为超大质量黑洞。

有关早期黑洞形成的研究，在高能物理学界形成了活跃的研究热点。高能物理学告诉我们，如果中等质量黑洞反复碰撞和并合，最终成为超大质量黑洞的话，那么当两个黑洞并合时，会释放出很强的引力波。有趣的是，欧美合作建设的引力波检测项目LISA将具备检测到引力波的能力，哪怕它来自宇宙遥远的远方。按计划，LISA将于2020年之前投入运行。如果人们能顺利地观测到黑洞的并合过程，那么宇宙初期天体形成的很多谜团将有可能迎刃而解。