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天文學家的最新研究發現，在宇宙生成的大霹靂後僅1.8億年，就有第一代恆星形成。
這張藝術家想像圖描繪出宇宙最早恆星的可能樣貌。
ILLUSTRATION BY N.R.FULLER, NATIONAL SCIENCE FOUNDATION
夜空中的點點繁星，似乎自亙古以來，就伴隨人類度過漫漫長夜，但其實在宇宙剛誕生時，這些閃爍的恆星還沒出現。現在，科學家回望時空深處的研究結果顯示，最早的一批恆星誕生於大霹靂（Big Bang）形成宇宙後約1.8億年。
在過去幾十年來，科學家一直在追求（或者該說是競爭）的研究課題，就是偵測第一代恆星的蹤跡。這項觀測是EDGES計畫的貢獻，當第一代恆星發出的光與充滿原始宇宙空間的氫氣產生交互作用時，會產生不同的無線電波訊號。
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如果這些訊號真的站得住腳，那麼這次的偵測同時也開啟了新的宇宙探索課題，更帶來許多有待我們克服的難題。
「在這之前，宇宙曙光（cosmic dawn）時期對我們來說一直是個未知的領域，」南非夸祖魯－納塔爾大學（University of KwaZulu-Natal）的物理學家（Cynthia Chiang）如此表示，「能夠以新的方式看到宇宙歷史的這個階段，實在太令人興奮了，EDGES望遠鏡的觀測讓我們首度有機會深入了解第一批恆星的性質。」
宇宙在誕生後不久，就陷入了黑暗之中。當高溫氣體在暗物質（dark matter）團塊周圍聚集，收縮變得更為緊密，直至足以點燃新生恆星核心的核融合反應，第一代恆星就此誕生。
當這些早期恆星開始往周圍宇宙放出紫外線，光子與原始宇宙中的氫氣混合，使得這些氫氣能夠吸收背景輻射並變得半透明。此時，這些氫原子會產生特定頻率的無線電波，穿越宇宙時空，讓今日的天文學家得以利用無線電波望遠鏡，觀測到來自遙遠過去的訊息。
現代的恆星也會向周圍發出光線，因此也有相同的現象。但源自第一代恆星影響所產生的無線電波，在宇宙中旅行了很長一段時間，所以這些無線電波的波長被拉得更長了，或者學術一點的說法──產生了紅移（redshift）。這也就是為何天文學家可以利用位在澳洲西部的小天線，確認這些訊號是來自第一代恆星的蹤跡。
最新的宇宙時間軸顯示，在大霹靂後約1.8億年，就有第一代恆星誕生。
ILLUSTRATION BY N.R.FULLER, NATIONAL SCIENCE FOUNDATION
「在2015年啟動儀器後的幾個星期內，就首度出現了訊號的跡象，」這篇研究論文的共同作者──亞利桑那州立大學（Arizona State University）的賈德．鮑曼（Judd Bowman）表示，「剛開始我們以為是這個儀器有問題，因為訊號比我們預期的還要更大。」
鮑曼和他的團隊成員在過去兩年之間，一直致力於排除任何可能的錯誤，會導致儀器產生類似宇宙黑暗時代結束時的訊號。
「我們做了好幾十項測試，才越來越有把握這些訊號確實來外太空，」他說，「但還是得要有另一個團隊，使用不同的儀器來確認這項觀測，這是非常重要的。」
隸屬於另一個科學團隊成員的江昕，也在尋找相同的訊號。她同意這項說法：「他們的建議相當正確，下一步就是要用其他實驗來確認測量的結果。」
「這種測量方式對系統誤差極度敏感，因此非常困難，EDGES團隊為了研究微弱的儀器效應，所耗費的心力令人印象深刻。」
如果這些訊號是真的，那麼對研究早期宇宙狀態的科學家來說，這項研究帶來了新的挑戰。首先是這些第一代恆星出現的時間，雖然與某些理論的預測相符，卻又與另一些理論不太一致。
「從很多方面來說，這個結果都很怪，」加州大學洛杉磯分校（UCLA）的史蒂芬．富拉內托（Steven Furlanetto）如此表示，他致力於研究星系如何形成並產生恆星，他說，「這可能顯示有非常奇特的物理現象發生，對很多人來說，這都是件非常令人興奮的大事情。」比如說，這項觀測結果可能告訴我們，會有不同於以往認識的星系。
富拉內托和他的同事在之前的研究中，實際觀測最早的已知星系，然後利用電腦模擬早期宇宙的情形，尋找第一代恆星訊號可能出現的時間點。宇宙的第一代星系應該規模很小，而且很脆弱，製造恆星的效率也不是那麼好，所以富拉內托認為，第一代恆星的訊號應該會在大霹靂後約3.25億年才達到最高峰。
但如果在大霹靂後1.8億年，第一代恆星就已經發出了足夠的光線，揭露自身行蹤，那麼早期的星系勢必與我們的認知有所不同。
「最簡單的解釋就是，這些非常小的星系在宇宙早期的狀態和現在不同，能非常有效率的產生恆星，」他說，「這與我們對星系物理的理解，有著非常大的差異。」
另外一方面，原始氫氣吸收光子的速率至少比預期的還要高上兩倍。這表示我們對早期宇宙溫度的理論是有問題的，可能是原始氣體比預期更冷，或是背景輻射其實更熱。
有意思的是，還有另一篇論文也刊登在2月28日出版的《自然》（Nature）期刊，這篇研究認為與暗物質的交互作用會讓氣體冷卻，而能吸收更多的光子。
暗物質構成了宇宙大部分的質量，但它的行為卻與正常的物質不同，因此要理解暗物質十分困難。我們很難直接偵測到暗物質，科學家正努力研究確定暗物質究竟是什麼，又是如何隨著時間演變而影響宇宙結構。
「如果這是暗物質的訊號──這並非不可能，那就實在太令人興奮了！」麻省理工學院（MIT）的特蕾西．史萊堤爾（Tracy Slatyer）如此表示。
但她也指出，要下這樣的結論還為時過早。另一種可能性是，在當時就是有更多的光子能讓氫氣吸收，雖然我們還不清楚在這些光子究竟來自早期宇宙的何處。因此，在深入討論這個暗物質的假設之前，她和其他科學家還在等待其他獨立的研究，能夠確認EDGES望遠鏡的發現。
「如果能有機會嘗試以目前我們對暗物質和星系的理解，來解釋這些觀測結果，我覺得會更好。」富拉內托表示：「因為這實在與我們預期的差太多了，所以我很擔心這根本只是有什麼地方搞錯了，雖然我不知道會有什麼樣的可能性。」
撰文：NADIA DRAKE
編譯：林宇威
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