氢原子|通过这个21厘米谱线，或许我们可以重现宇宙的演化过程
我们只能知道宇宙138亿年前最初的样子和现在的模样 ， 那它是如何一直发展到今天的？宇宙学家通过21厘米谱线观测 ， 可以直接看见宇宙演化的整个历史 。 21厘米谱线是什么？用它来实际观察宇宙会有什么困难？
出品："格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）
以下内容为清华大学天文系茅奕演讲实录：
大家好 ， 我是茅奕 ， 来自清华大学天文系 。
今天我给大家讲讲 ， 填补宇宙空白的记忆 。
我们知道 ， 宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸 ， 大爆炸是一个形象的说法 ， 准确地说在138亿年前 ， 宇宙处在一个极度高温、高密度和高压强的状态 。
在高温度下 ， 宇宙中所有的物质都以电离态的基本粒子形式来存在 ， 就是质子和电子 。
那么随着宇宙温度慢慢降低 ， 这些物质就开始结合 。
在宇宙38万年的时候 ， 质子和电子就开始结合成为中性的氢原子和氦原子 ， 还有数量非常少的 ， 质量稍微大一点点的元素 ， 比如说碳元素 。
但是宇宙中绝大部分都是以氢原子和氦原子形式存在 ， 在宇宙38万年的时候 ， 光和这些氢原子和氦原子就开始脱离开 。
从那个时候开始 ， 经过漫长的宇宙年龄就是我们今天看到的宇宙微波背景辐射 。
它实际上是对宇宙在38万年时候的物质状态的一个惊鸿一暼 。 我们今天看宇宙微波背景辐射 ， 各个方向上它的温度几乎是完全一样的 。
但是 ， 如果把精度提高5个数量级就可以看到 ， 在非常小的起伏状态下 ， 实际上各个方向的温度还是有很小的差别的 。
这些亮点就代表了温度稍微高一点的地方 ， 它的物质密度也稍微高一点点 。 而蓝色的地方是它的温度稍微低一点的地方 ， 密度也稍微低一点 。
就像温度起伏 ， 它的差别只是在10的-5次方 ， 密度起伏 ， 也是非常微小的 。
在10的-5次方的量级 ， 但是这个极小的密度起伏孕育了今天我们各种各样的物质结构 。
因为密的地方会由于引力的作用 ， 吸引更多的物质 ， 会变得越来越密 ， 就慢慢地形成星系和星系团 。
这些密度低的地方 ， 也会变得越来越低 ， 就会形成一个一个很大的空洞 。 在这个空洞里边 ， 几乎看不到任何一个星系 。
那么这个就是通过星系巡天看到的近邻宇宙的样子 。
可以看到这些亮的地方 ， 每一个黄点代表一个星系 ， 这些星系是抱团的 。
密的地方 ， 周围有密度比较高的星系 。 那么就形成一个一个的像网一样的结构 ， 我们称之为宇宙网 。
而密度低的地方 ， 像黑的区域其实就是一个一个很大的空洞 。 那么我们今天可以通过微波背景辐射看到宇宙38万年时候的样子 。
也可以通过星系巡天看到在今天近邻宇宙的各种星系、各种非线性的结构 。 但是我们还缺乏观测手段 。
宇宙演化进程
宇宙是怎么演化的呢？我们现在仅仅有理论的推测 ， 但是还没有观测的直接的证据 。
这就好像我们在以前小的时候 ， 还没有数码相机 。 我们就是过一段时间被大人拽到照相馆拍一张照片放在相册里 。
我们看一个人的相册 ， 就像我们看爱因斯坦小时候 ， 是一个小Baby的样子 ， 但是如果直接看到最后一页 ， 他已经成为一个伟人的样子 。
我们就会想知道 ， 他是怎么从一个小Baby成长为一个伟人的 。
对于宇宙来说也是这样子 ， 我们现在只能看到它的婴儿期和现在的成熟的成人期 ， 那么中间这么漫长的空白的记忆 ， 我们也想去寻找它 。
在理论上 ， 我们有一个很好的推测 ， 这个过程是怎么发生的 。
在宇宙38万年微波背景辐射形成之后 ， 我们刚才说了宇宙中所有的物质都是以中性氢原子、氦原子来存在的 。
这个时候还没有星系形成 ， 所以宇宙中是黑暗一片 。 这个时代就是黑暗时代 ， 这个时候只有氢和氦 。
大概在宇宙1亿年的时候 ， 我们才出现了第一代的星系 ， 就是这些蓝、黄色的亮点 。
那么这些第一代星系发出的星光 ， 会划过黑暗的宇宙 。 我们称之为：宇宙进入了宇宙黎明 。
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