类是如何“看见” 140 亿年前的宇宙大爆炸的？科学家解答……

摘要：天文学领域对宇宙起源的研究认为，宇宙源于约 140 亿年前的大爆炸（具体时间存在测量误差，可能在 135 亿到 140 亿年之间）。大爆炸结束后，恒星与星系逐步形成，最终演化成如今人类所见的宇宙。

近日，中国科学院国家天文台星系宇宙学部主任陈学雷在 2025 科普中国说带来演讲《从鸿蒙初开到群星灿烂：宇宙的黑暗时代和黎明》，一起探索宇宙演化的历史。

以下是陈学雷的演讲节选：

天文学领域对宇宙起源的研究认为，宇宙源于约 140 亿年前的大爆炸（具体时间存在测量误差，可能在 135 亿到 140 亿年之间）。大爆炸结束后，恒星与星系逐步形成，最终演化成如今人类所见的宇宙。

图片来源于陈学雷PPT

当提及宇宙学基于“宇宙大爆炸”的研究理论时，常有人质疑其科学性——“没有人曾经见证过宇宙起源，怎么能确定理论的真实性？”其实从古代起，就有许多关于宇宙的思考。屈原在《天问》中写道：“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？” 这两句诗，正是他在质疑——“宇宙从混沌走向天地分明”的说法缺少见证者，也在追问 “天地还没成形时，又该如何区分上下”。

对于这类质疑，科学在今天已经能在一定程度上给出解答。其根据是“光速是有限的”。光速约为每秒 30 万公里，虽然速度极快但依然是有限的，因此，人类观测遥远天体时，看到的其实是天体光信号传播一段时间后的状态，比如，离地球较近的麦哲伦星云（南半球可见）距离地球约 16 万光年，人类看到的实际是它 16 万年前的样子；北半球可见的仙女座大星云（M 31 ）距离地球 250 万光年，人类观测到的是其 250 万年前的图像。

因此，如果我们能够看到越来越远的天体，那我们也就能够追溯到宇宙更早的时刻。其实，我们今天是能够看到宇宙大爆炸开始时的景象的。因为在大爆炸发生的时候，它释放出了大量的光，这些光就是我们如今能探测到的所谓“微波背景辐射”。与此同时，我们还能观测到许多遥远的星系，这也就相当于看到了这些星系在宇宙早年的样子。比如说，大家可能都听说过著名的哈勃望远镜，这是哈勃望远镜的所谓“哈勃深场”，也就是说，它对着一个不起眼的地方长时间地深度曝光，拍下来的照片就展示了这些宇宙早期的星系。

科研人员在观测这些星系时有一个发现——与近处星系相比，早期星系的光更偏向可见光的红端（红端波长更长、蓝端波长更短），即所谓的“红移现象”。为什么会有红移现象？可通过物理学的“多普勒效应”解释：类似汽车驶过时，靠近时声调升高、远离时声调降低（远离时声波波长变长），星系远离地球时，其光的波长会变长，从而呈现红移。

美国天文学家哈勃在 20 世纪 20 年代发现，红移现象存在规律：星系距离地球越远，红移程度越强（波长变得越长），这一规律被称为“哈勃定律”。结合广义相对论可知，红移源于宇宙膨胀——宇宙空间并非静止，而是持续变大。越遥远的天体，其光信号传播到地球所需时间越长，对应的宇宙早期空间规模更小，光信号在传播过程中因空间膨胀导致波长变长，红移量随之增大。因此，宇宙学中“高红移”等同于“远距离”“宇宙早期”。

图片来源于陈学雷PPT

若宇宙持续膨胀、空间不断变大，反向推演可得出：早期宇宙中所有物质都集中在极小范围，密度极高；大量物质压缩在小空间内，会像给气球打气时气体变热一样，产生极高温度。结合已知物理定律推算，约 140 亿年前的宇宙处于高温高密度状态，此后逐步演化至今，这一过程即“宇宙大爆炸”。

“宇宙大爆炸”理论最初也面临质疑，之所以如今被科学界认可，关键在于有观测数据支撑——人类已经观测到大爆炸时期的“光信号”。大爆炸产生的大量光子，经漫长时间红移后，从可见光波段转变为微波波段。如今用微波观测宇宙，能发现各方向均存在温度约为 2.72K 的微波背景辐射，且辐射并非完全均匀，存在微小扰动（类似地球虽整体呈球形，但表面有山川、海洋等起伏），这种扰动被称为“微波背景辐射各向异性”，是宇宙早期状态的直接证据。

图片来源于陈学雷PPT

尽管人类已观测到宇宙大爆炸（微波背景辐射）和近期宇宙（大量星系），但两者之间存在一段“认知空白”——“宇宙黑暗时代”。大爆炸结束后，宇宙处于均匀状态，尚未形成恒星与星系，这段时期的具体情况至今未完全明确。

“宇宙黑暗时代”之后，少量恒星与星系开始形成，这一阶段被称为“宇宙黎明”，同样是天文学研究的空白区域。不过，目前科学界对这一阶段的演化有初步理论推测：在万有引力作用下，宇宙中密度较高的区域会不断聚集，形成纤维状结构；随后纤维状结构进一步演化，形成球状暗晕；最终暗晕坍缩，在内部形成星系。

理论还猜测，宇宙中存在大量不发光的“暗物质”，其产生的强引力会促使暗物质形成球状晕；普通物质气体在暗物质晕的引力作用下向中心聚集，因角动量守恒，聚集过程中会收缩形成盘状系统（气体盘）；气体盘内物质进一步凝聚，最终形成恒星，构成如今观测到的星系。

不过，这一演化图景仍有诸多未知。比如，第一代恒星形成后，部分恒星死亡时会通过超新星爆发，将其内部核反应产生的重元素（如碳、氧、氮等）扩散到宇宙中，成为构成后续天体（包括人类自身）的物质基础，但第一代恒星的形成机制、质量规模、对周边环境的影响等仍不明确。

为了探索这些未知，天文学家采用多种观测手段。美国研制的詹姆斯·韦布太空望远镜已经观测到了大量遥远的恒星与星系，但观测结果与现有理论存在差异，这表明宇宙演化仍有许多待解问题。

除了传统的光学红外望远镜外，天文学家还通过“ 21cm 辐射”研究宇宙黎明与再电离时期（此时宇宙中大部分物质仍为气体状态）。宇宙黎明时期的气体以氢原子为主，氢原子处于基态（稳定状态）时，会吸收或发射微波背景辐射中波长为 21cm 的光子，这种辐射即“ 21cm 辐射”，是研究该时期宇宙演化的独特工具。21cm 辐射会随宇宙膨胀发生红移，通过观测不同波长的辐射可研究不同时期的宇宙：例如观测波长为 2.1m 的光子，其红移倍数为 9 ，对应的宇宙规模仅为当前的 1/10 。科学界推测，第一代恒星周围会产生“ 21cm 吸收晕”，且随着恒星与星系数量增加，21cm 辐射在宇宙中的分布信号会逐渐变化，探测这些信号是研究宇宙黎明的关键。

图片来源于陈学雷PPT

但 21cm 辐射的探测难度极大：一方面， 21cm 辐射本身信号微弱；另一方面，银河系会产生“前景辐射”，其强度是 21cm 辐射的几万到几十万倍，严重干扰观测。不过，前景辐射在频率上呈光滑分布（变化规律简单），而 21cm 辐射在不同频率上的信号存在差异，可通过区分两者的频率特征提取 21cm 辐射信号。目前国际上有多个实验在尝试探测 21cm 辐射。

在大规模天线观测外，还有一种简化的 21cm 探测方案——通过小型高精度天线，将全天所有方向的 21cm 信号进行平均测量。这个平均测量从技术上有一个好处是，只需要一个非常小的天线就可以前导，但有个前提条件就是，天线必须足够精确，能够把这个信号测量出来。

2018 年，美国 EDGES 实验声称探测到了一个宇宙黎明时期的强烈的吸收谱信号，可是该信号强度和形状与标准理论预测不符（信号过强、“吸收坑”过深）。针对这个情况，科学家们提出了各种各样的猜测，有的科学家认为是不是有暗物质或者暗光子或者早期的暗能量影响了这个信号，但也有可能就是实验存在系统误差。后来，印度 SARAS 实验观测同一频段，未发现该信号，进一步加剧了争议。不过，科学界普遍相信将来如果更精密的测量，还是有可能找到这样的信号的。

但是，地面实验虽然取了很多成果，总归遇到很多很多困难，比如地球电离层、地面反射，以及人类活动产生的电磁干扰，均可能影响观测精度。为了摆脱这些可能的干扰，最好的办法是到月球的背面进行测量。

我们提出来的一种实验设想，起名叫鸿蒙计划，或者叫绕月超长波阵列——通过火箭将一组卫星送入月球轨道，利用月球阻挡地球干扰、无电离层影响的优势，实现高精度观测。另一方面，鸿蒙计划共有 10 颗卫星， 1 颗主星负责收集数据并传回地球， 9 颗卫星负责观测（其中 8 颗通过干涉成像获取天空图像，还有 1 颗为高频子星）。卫星发射时集成在火箭整流罩内，进入月球轨道后，主星释放子星；高频子星搭载高精度天线，能以十万分之一的精度校准并测量信号，从而探测 21cm 辐射。目前该计划仍需突破多项关键技术。