人類是如何“看見” 140 億年前的宇宙大爆炸的？科學家解答……-辟謠-漫步新聞-陪你看看

近日，中國科學院國家天文臺星系宇宙學部主任陳學雷在 2025 科普中國說帶來演講《從鴻蒙初開到羣星燦爛：宇宙的黑暗時代和黎明》，一起探索宇宙演化的歷史。

以下是陳學雷的演講節選：

天文學領域對宇宙起源的研究認爲，宇宙源於約 140 億年前的大爆炸（具體時間存在測量誤差，可能在 135 億到 140 億年之間）。大爆炸結束後，恆星與星系逐步形成，最終演化成如今人類所見的宇宙。

圖片來源於陳學雷PPT

當提及宇宙學基於“宇宙大爆炸”的研究理論時，常有人質疑其科學性——“沒有人曾經見證過宇宙起源，怎麼能確定理論的真實性？”其實從古代起，就有許多關於宇宙的思考。屈原在《天問》中寫道：“遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？” 這兩句詩，正是他在質疑——“宇宙從混沌走向天地分明”的說法缺少見證者，也在追問 “天地還沒成形時，又該如何區分上下”。

對於這類質疑，科學在今天已經能在一定程度上給出解答。其根據是“光速是有限的”。光速約爲每秒 30 萬公里，雖然速度極快但依然是有限的，因此，人類觀測遙遠天體時，看到的其實是天體光信號傳播一段時間後的狀態，比如，離地球較近的麥哲倫星雲（南半球可見）距離地球約 16 萬光年，人類看到的實際是它 16 萬年前的樣子；北半球可見的仙女座大星雲（M 31 ）距離地球 250 萬光年，人類觀測到的是其 250 萬年前的圖像。

因此，如果我們能夠看到越來越遠的天體，那我們也就能夠追溯到宇宙更早的時刻。其實，我們今天是能夠看到宇宙大爆炸開始時的景象的。因爲在大爆炸發生的時候，它釋放出了大量的光，這些光就是我們如今能探測到的所謂“微波背景輻射”。與此同時，我們還能觀測到許多遙遠的星系，這也就相當於看到了這些星系在宇宙早年的樣子。比如說，大家可能都聽說過著名的哈勃望遠鏡，這是哈勃望遠鏡的所謂“哈勃深場”，也就是說，它對着一個不起眼的地方長時間地深度曝光，拍下來的照片就展示了這些宇宙早期的星系。

科研人員在觀測這些星系時有一個發現——與近處星系相比，早期星系的光更偏向可見光的紅端（紅端波長更長、藍端波長更短），即所謂的“紅移現象”。爲什麼會有紅移現象？可通過物理學的“多普勒效應”解釋：類似汽車駛過時，靠近時聲調升高、遠離時聲調降低（遠離時聲波波長變長），星系遠離地球時，其光的波長會變長，從而呈現紅移。

美國天文學家哈勃在 20 世紀 20 年代發現，紅移現象存在規律：星系距離地球越遠，紅移程度越強（波長變得越長），這一規律被稱爲“哈勃定律”。結合廣義相對論可知，紅移源於宇宙膨脹——宇宙空間並非靜止，而是持續變大。越遙遠的天體，其光信號傳播到地球所需時間越長，對應的宇宙早期空間規模更小，光信號在傳播過程中因空間膨脹導致波長變長，紅移量隨之增大。因此，宇宙學中“高紅移”等同於“遠距離”“宇宙早期”。

圖片來源於陳學雷PPT

若宇宙持續膨脹、空間不斷變大，反向推演可得出：早期宇宙中所有物質都集中在極小範圍，密度極高；大量物質壓縮在小空間內，會像給氣球打氣時氣體變熱一樣，產生極高溫度。結合已知物理定律推算，約 140 億年前的宇宙處於高溫高密度狀態，此後逐步演化至今，這一過程即“宇宙大爆炸”。

“宇宙大爆炸”理論最初也面臨質疑，之所以如今被科學界認可，關鍵在於有觀測數據支撐——人類已經觀測到大爆炸時期的“光信號”。大爆炸產生的大量光子，經漫長時間紅移後，從可見光波段轉變爲微波波段。如今用微波觀測宇宙，能發現各方向均存在溫度約爲 2.72K 的微波背景輻射，且輻射並非完全均勻，存在微小擾動（類似地球雖整體呈球形，但表面有山川、海洋等起伏），這種擾動被稱爲“微波背景輻射各向異性”，是宇宙早期狀態的直接證據。

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儘管人類已觀測到宇宙大爆炸（微波背景輻射）和近期宇宙（大量星系），但兩者之間存在一段“認知空白”——“宇宙黑暗時代”。大爆炸結束後，宇宙處於均勻狀態，尚未形成恆星與星系，這段時期的具體情況至今未完全明確。

“宇宙黑暗時代”之後，少量恆星與星系開始形成，這一階段被稱爲“宇宙黎明”，同樣是天文學研究的空白區域。不過，目前科學界對這一階段的演化有初步理論推測：在萬有引力作用下，宇宙中密度較高的區域會不斷聚集，形成纖維狀結構；隨後纖維狀結構進一步演化，形成球狀暗暈；最終暗暈坍縮，在內部形成星系。

理論還猜測，宇宙中存在大量不發光的“暗物質”，其產生的強引力會促使暗物質形成球狀暈；普通物質氣體在暗物質暈的引力作用下向中心聚集，因角動量守恆，聚集過程中會收縮形成盤狀系統（氣體盤）；氣體盤內物質進一步凝聚，最終形成恆星，構成如今觀測到的星系。

不過，這一演化圖景仍有諸多未知。比如，第一代恆星形成後，部分恆星死亡時會通過超新星爆發，將其內部核反應產生的重元素（如碳、氧、氮等）擴散到宇宙中，成爲構成後續天體（包括人類自身）的物質基礎，但第一代恆星的形成機制、質量規模、對周邊環境的影響等仍不明確。

爲了探索這些未知，天文學家採用多種觀測手段。美國研製的詹姆斯·韋布太空望遠鏡已經觀測到了大量遙遠的恆星與星系，但觀測結果與現有理論存在差異，這表明宇宙演化仍有許多待解問題。

除了傳統的光學紅外望遠鏡外，天文學家還通過“ 21cm 輻射”研究宇宙黎明與再電離時期（此時宇宙中大部分物質仍爲氣體狀態）。宇宙黎明時期的氣體以氫原子爲主，氫原子處於基態（穩定狀態）時，會吸收或發射微波背景輻射中波長爲 21cm 的光子，這種輻射即“ 21cm 輻射”，是研究該時期宇宙演化的獨特工具。21cm 輻射會隨宇宙膨脹發生紅移，通過觀測不同波長的輻射可研究不同時期的宇宙：例如觀測波長爲 2.1m 的光子，其紅移倍數爲 9 ，對應的宇宙規模僅爲當前的 1/10 。科學界推測，第一代恆星周圍會產生“ 21cm 吸收暈”，且隨着恆星與星系數量增加，21cm 輻射在宇宙中的分佈信號會逐漸變化，探測這些信號是研究宇宙黎明的關鍵。

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但 21cm 輻射的探測難度極大：一方面， 21cm 輻射本身信號微弱；另一方面，銀河系會產生“前景輻射”，其強度是 21cm 輻射的幾萬到幾十萬倍，嚴重干擾觀測。不過，前景輻射在頻率上呈光滑分佈（變化規律簡單），而 21cm 輻射在不同頻率上的信號存在差異，可通過區分兩者的頻率特徵提取 21cm 輻射信號。目前國際上有多個實驗在嘗試探測 21cm 輻射。

在大規模天線觀測外，還有一種簡化的 21cm 探測方案——通過小型高精度天線，將全天所有方向的 21cm 信號進行平均測量。這個平均測量從技術上有一個好處是，只需要一個非常小的天線就可以前導，但有個前提條件就是，天線必須足夠精確，能夠把這個信號測量出來。

2018 年，美國 EDGES 實驗聲稱探測到了一個宇宙黎明時期的強烈的吸收譜信號，可是該信號強度和形狀與標準理論預測不符（信號過強、“吸收坑”過深）。針對這個情況，科學家們提出了各種各樣的猜測，有的科學家認爲是不是有暗物質或者暗光子或者早期的暗能量影響了這個信號，但也有可能就是實驗存在系統誤差。後來，印度 SARAS 實驗觀測同一頻段，未發現該信號，進一步加劇了爭議。不過，科學界普遍相信將來如果更精密的測量，還是有可能找到這樣的信號的。

但是，地面實驗雖然取了很多成果，總歸遇到很多很多困難，比如地球電離層、地面反射，以及人類活動產生的電磁干擾，均可能影響觀測精度。爲了擺脫這些可能的干擾，最好的辦法是到月球的背面進行測量。

我們提出來的一種實驗設想，起名叫鴻蒙計劃，或者叫繞月超長波陣列——通過火箭將一組衛星送入月球軌道，利用月球阻擋地球干擾、無電離層影響的優勢，實現高精度觀測。另一方面，鴻蒙計劃共有 10 顆衛星， 1 顆主星負責收集數據並傳回地球， 9 顆衛星負責觀測（其中 8 顆通過干涉成像獲取天空圖像，還有 1 顆爲高頻子星）。衛星發射時集成在火箭整流罩內，進入月球軌道後，主星釋放子星；高頻子星搭載高精度天線，能以十萬分之一的精度校準並測量信號，從而探測 21cm 輻射。目前該計劃仍需突破多項關鍵技術。