【科學講堂】觀測遠古星系 探尋宇宙形成歷史
我們的宇宙是如何演化成現今的模樣的？有證據顯示，宇宙中的氫氣曾經由普遍不帶電荷的狀態，變成現在電離的形式，這樣的轉變又是如何進行的？近日，科學家觀測到遠古的星系，為這些問題提供了更多的提示。
宇宙曾有「黑暗時代」
根據現在的科學理解，我們的宇宙大約在138億年以前從大爆炸中出現。此後經過大概30萬年，宇宙中最主要的成分—氫氣，大多變成了不帶電荷的狀態，而大爆炸時的光芒亦在此時向四面八方釋放出來，被現今的我們觀測到，即所謂的「宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background Radiation）」。宇宙微波背景輻射也是現今我們研究大自然所需的重要訊息之一，能夠幫助我們客觀地認識宇宙剛出現之後的狀況。
說回宇宙的演變，之後又進入了「黑暗時代」，當時氫氣還在受萬有引力而緩慢聚集，最終將形成星星、黑洞等等天體。所以基本來說，宇宙在這個階段應該是一片漆黑的，以致我們對這個時期的宇宙也認識不多。而當時間來到大爆炸後大約300萬年，第一批星星形成，宇宙中才有了第一點星光。
近日科學家運用詹士韋伯太空望遠鏡（ James Webb Space Telescope），觀察到大爆炸後大約三百三十萬年時候的星系，還在這個星系的光譜中測量到萊曼α（Lyman-alpha）這種輻射。
從輻射推測再電離情況
萊曼是氫原子的光譜線（按：元素受熱或電離時會發出特定顏色的光，形成不連續的亮線），而萊曼α線是這個系列中的第一條，對應的是電子從第二能級躍遷到第一能級時釋放的光子，它的波長範圍為121.6納米（紫外線），地球大氣會吸收此波段。不帶電荷的氫氣原子在釋放額外能量時經常發出萊曼α輻射。
不過，要觀測到萊曼α輻射，也需要一些適合的條件：萊曼α輻射易被不帶電荷的氫原子吸收，因此，我們能夠觀察到這種輻射，代表星系已被一定範圍的氫離子包圍。
科學家們估計，這個氫離子範圍的半徑可能長達650光年，才有足夠的空間讓萊曼α輻射擴散出去，並隨宇宙的膨脹而增長波長，不會再被其他氫氣吸收。
與大爆炸後六億到八億年出現的星系相比，這次量度到的星系光譜有較多的萊曼α輻射，更有一連串波長很短的輻射，波長很短的輻射帶有高能量，因此代表了溫度很高的天文物體。
對此，研究人員有兩個猜想：第一種猜想是，星系中有一個超級黑洞，而物體在掉進這個黑洞的時候慢慢加熱；另一個可能，這個星系有特別多較大的星星（例如質量是太陽一百至三百倍、溫度是太陽十五倍的星星）。
然而，這些猜想同時亦帶出更深一層的問題，比如說黑洞是如何在宇宙的早期形成？而物體又是如何流進黑洞的？大量的巨大星星又是如何形成的？這些都是仍需深入研究的課題。
小結
這次觀察到的星系不多，所以難以估算這類星系在宇宙中的數量有多少。不過詹士韋伯太空望遠鏡在近期已有了不少驚人的發現，驅使我們去更進一步研究宇宙早期天體的演化。
●杜子航 教育工作者
早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。
