恒星出现之前的时期，物质开始在引力的作用下聚集到密度更大的区域
在宇宙重组时期之后——宇宙对辐射变得透明，宇宙微波背景（CMB）被释放——出现了一个漫长的时期，被称为 黑暗时代当时，宇宙中还没有发光源（恒星或类星体），因此宇宙实际上是一片漆黑。尽管缺乏可见光，但一些关键过程仍在进行： 事情 （主要是氢、氦和暗物质）开始 引力聚集，为第一批恒星、星系和大型结构的形成奠定了基础。
在本文中，我们将探讨：
- 黑暗时代的含义是什么
- 复合后宇宙的冷却
- 密度波动的增长
- 暗物质在结构形成中的作用
- 宇宙黎明：第一颗恒星的出现
- 观察挑战与探索
- 对现代宇宙学的影响
1. 黑暗时代的含义
- 时间跨度：大致从 38万年 大爆炸（重组结束）之后，直到第一批恒星的形成，这可能始于 1亿至2亿年 大爆炸之后。
- 中性宇宙：复合后，几乎所有的质子和电子都结合成中性原子（主要是氢）。
- 无明显光源：由于没有恒星或类星体，宇宙中缺乏新的明亮辐射源，使得它在大多数电磁波长下实际上是不可见的。
在黑暗时代， 宇宙微波背景 在宇宙膨胀的过程中，光子继续自由传播并冷却。然而，这些光子正在红移到微波区域，当时的照明效果极小。
2. 复合后宇宙的冷却
2.1 温度演变
复合后（温度约为3000 K），宇宙继续膨胀，温度持续下降。当我们进入黑暗时代时，背景光子温度在几十到几百开尔文之间。中性氢原子占主导地位，氦原子占较小比例（约占质量的24%）。
2.2 电离分数
由于残余过程和热气体的痕迹，一小部分自由电子仍然处于电离状态（大约万分之一或更少）。这一小部分在能量转移和化学反应中发挥了微妙的作用，但总体而言，宇宙主要由 中性的——与早期的电离等离子体状态形成鲜明对比。
3. 密度波动的增长
3.1 早期宇宙的种子
微小的密度扰动——在宇宙微波背景辐射中表现为温度各向异性——是由暴胀期间的量子涨落引起的（如果暴胀范式正确的话）。在物质复合后，这些扰动表现为物质略微的密度过高或过低。
3.2 物质主导与引力坍缩
到了黑暗时代，宇宙已经由物质主导——暗物质和重子物质比辐射更能控制宇宙的动力学。在密度稍高的区域， 万有引力 开始吸收更多物质。随着时间的推移，这些过密度物质不断增长，为以下现象奠定了基础：
- 暗物质晕：暗物质团块提供了气体可以聚集的引力井。
- 恒星前云：重子（正常）物质跟随暗物质晕的引力，最终形成气体云。
4. 暗物质在结构形成中的作用
4.1 宇宙网
结构形成的模拟表明 暗物质 在形成 宇宙网 丝状结构。凡是暗物质密度最高的地方，重子气体也会聚集，从而形成最早的大规模势阱。
4.2 冷暗物质（CDM）范式
主流理论是， ΛCDM认为暗物质在早期是“冷的”（非相对论性的），这使得它能够有效地聚集。这些暗物质晕呈层级结构增长——首先形成较小的晕，随着时间的推移逐渐合并，形成更大的结构。到黑暗时代末期，许多这样的晕已经存在，准备容纳第一批恒星（第三星族恒星）。
5. 宇宙黎明：第一批恒星的出现
5.1 第三星族恒星
最终，最密集区域的引力坍缩导致 第一颗星星—通常被称为 第三群体 恒星。这些恒星几乎完全由氢和氦组成（没有更重的元素），与今天的典型恒星相比，它们的质量可能非常大。它们的形成标志着黑暗时代的结束。
5.2 再电离
一旦这些恒星点燃核聚变，它们就会产生大量 紫外线辐射 开始 再电离 周围的中性氢气。随着更多恒星（以及早期星系）的形成，再电离斑块不断增长并重叠，将星系际介质从以中性为主转变为以电离为主。这 再电离 时代跨越约 z ~ 6 至 10为宇宙带来新的光明，彻底结束黑暗时代。
6. 观察挑战与探索
6.1 黑暗时代为何难以观察
- 没有明亮的光源：被称为黑暗时代的主要原因是缺乏发光物体。
- 宇宙微波背景红移：复合后剩余的光子正在冷却，不再处于可见范围内。
6.2 21厘米宇宙学
研究黑暗时代的一个有前途的技术是 21厘米超精细跃迁 中性氢。在黑暗时代，中性氢可以在宇宙微波背景辐射的背景下吸收或发射21厘米的辐射。原则上，将这一信号映射到宇宙时间序列中，可以得到中性气体分布的“断层扫描”视图。
- 挑战：21 厘米的信号极其微弱，被强烈的前景辐射（来自我们的星系等）所掩盖。
- 实验: 项目如 洛法尔， 微波消融， 边缘以及未来的工具，例如 平方公里阵列（SKA） 旨在探测或改进对这个时代 21 厘米线的观测。
6.3 间接推论
虽然直接对黑暗时代进行电磁观测很困难，但研究人员可以通过以下方式做出间接推断： 宇宙学模拟 并通过研究后来时期最早探测到的星系的特性（e.g., z ~ 7–10）。
7. 对现代宇宙学的启示
7.1 结构形成测试模型
从黑暗时代到宇宙黎明的过渡提供了一个天然的实验室来测试物质如何坍缩形成第一个结合物体。将观测结果（特别是 21 厘米信号）与理论预测相匹配将完善我们对以下方面的理解：
- 暗物质的性质及其小尺度团簇特性。
- 由通货膨胀设定并印在 CMB 中的初始条件。
7.2 宇宙演化的教训
研究黑暗时代有助于宇宙学家拼凑出 连续叙述：
- 热大爆炸和通货膨胀波动。
- CMB 的重组和释放。
- 黑暗时代的引力坍缩，导致了第一批恒星的出现。
- 再电离和星系的形成。
- 星系和大规模宇宙网络结构的生长。
每个阶段都是相互关联的，了解一个阶段可以增强我们对其他阶段的了解。
结论
这 黑暗时代 代表着宇宙历史的一个形成期——恒星光出现之前，但引力活动却十分剧烈的时期。随着物质开始 丛 进入第一个绑定对象，种子 星系 和 集群 播种。虽然直接观察仍然具有挑战性，但这个时代对于理解宇宙从复合后物质的平滑分布到丰富的 结构化的宇宙 我们今天看到的。
未来进展 21厘米宇宙学 高灵敏度的无线电观测有望照亮这些微弱的“黑暗”时期，揭示氢和氦的原始汤如何凝聚成第一个明亮的火花——预示着 宇宙黎明 并最终形成了宇宙中无数的恒星和星系。
参考文献及延伸阅读
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- Ciardi，B.， & Ferrara，A.（2005）。 “第一个宇宙结构及其影响。” 空间科学评论， 116，625–705。
- Loeb，A.（2010 年）。 第一批恒星和星系是如何形成的？ 普林斯顿大学出版社。
- Furlanetto，SR，哦，SP， & Briggs，FH（2006）。 “低频宇宙学：21厘米转变和高红移宇宙。” 物理报告， 433，181–301。
- 普朗克合作组织。 https://www.cosmos.esa.int/web/planck
通过这些集体的见解，黑暗时代不再仅仅是一个空虚的时期，而是一个 关键桥梁 在已充分研究的 CMB 时代和明亮、活跃的恒星和星系宇宙之间——这个时代的秘密才刚刚开始向科学探索开放。