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大霹靂膨脹開始。
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當我抬頭仰望夜空，總是質疑為何人類特別專注於與自己相關的世間俗事。事實上，宇宙中充滿了更多比凡間的人事興替還有趣的事物。身為一個天文物理學家，我有幸以思索宇宙事物為生，而此工作也導正了我的價值觀。因此，我才可以不受某些俗務的干擾困惑。例如每個人的生死大事，凡人皆有死，但當我綜觀宇宙整體，它給了我一種長壽的無垠遐想。由於這個寬廣的大圖像，我因而不是那麼在乎自己的大限之期。
探究這個世界的某些基本問題，是宇宙學家職責所在。過去數百年來，人們嘗試以哲學思維來尋求解決之道。而現在，我們以有系統的觀測與計量的方法論做為依據，來從事研究。我們在上個世紀最偉大的勝利，大概就是發展出有大量觀測數據支持的宇宙模型。然而有時候，我們的社會似乎不太能夠體認這個模型的價值何在。當我每天習慣性地打開早報時，入目所見的常是人們為了邊境、感情與權利等問題而產生的衝突。今天的新聞往往在數日之後便為人所遺忘。但當我們翻開像《聖經》這種歷久彌新的經典古籍時，首入眼簾的起始章節究竟都說了些什麼呢？那往往是一段關於宇宙的成份（光、星辰、生命等）如何被製造出來的討論。雖然人們常不由自主被俗務所羈絆，但仍對整個大圖像感到好奇。身為宇宙的子民，我們本能地想要了解第一道光源從所何來、生命如何興起、在廣闊的空間中，是否還有像人類這樣的智慧生命存在？21世紀的天文學家正處在一個特殊的位置，準備回答這一類的大哉問。
我們窺看過去的能力，讓現代宇宙學成為以觀測為依據的科學。當你望著一公尺外的鏡子所反映出來的身影時，你其實看到的是六奈秒前的自己，因為光線需要花點時間往返於你和鏡子之間。同樣的，宇宙學家並不需要猜測宇宙如何演化，我們可以用望遠鏡看到它過往的歷史。從統計上來說，宇宙在各方向上看起來都相同，因此我們所看見數十億光年之外的遠處景象，應可代表我們自身所處的這塊空間在數十億年前的相貌。
觀測宇宙學的終極目標，是建構宇宙的完整歷史，對於宇宙最早由次原子粒子所構成的無形氣體，提供清晰連貫的圖像。我們已擁有宇宙在大霹靂40萬年後光景的「快照」：宇宙微波背景輻射，與大霹靂10億年後星系個體的影像。再過10年，美國航太總署（NASA）打算發射詹姆斯˙韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope, JWST），它應能夠找到理論學家所預測，在宇宙只有幾億歲時就形成的第一代星系。
即便如此，宇宙的歷史還是有個巨大的斷層。宇宙在釋放出微波背景與第一道星光之間，看起來黯淡無光，而微波背景也無法反映出物質的分佈。這聽起來像是一段了無生氣的陰鬱時光，也像是在大霹靂與如今活躍的宇宙間，插入了一段乏味的間奏曲。不過，在黑暗期裡其實發生了許多事情：太初宇宙就像一鍋滾燙的湯，而後因膨脹冷卻，逐步演化成我們現在所見豐富多彩的天體大觀園。在如墨水般漆黑的世界裡，隱藏的重力暗暗四處伸展，聚集著宇宙萬物。
天文學家所面對的狀況，很類似在某個人的相簿中收藏著他出生前的第一幅超音波影像，以及一些10多歲青少年時期與成人之後的相片。如果你認為從這些照片，便可推測在沒有相片的斷層時期發生了些什麼事情，那就大錯特錯了。單純地把胚胎放大或把成人縮小，並不能反映出此人在童稚時期的真實面貌。同樣的道理也適用於星系，它們並不遵循在微波背景中，初始物質結塊成團之後順勢發展的直接道路。觀測結果告訴我們，在黑暗期裡，宇宙經歷過一段曲折的變遷過程。
天文學家正在找尋宇宙相簿中失落的頁章，以揭示宇宙在嬰兒時期的演化，以及它如何產生用來建構像銀河系這種星系的基礎材料。10年前我開始從事這項工作時，只有少數研究者對此題目感興趣。但是現在，大部份的觀測計畫都指向這個目標。而且，在接下來的10年裡，它必定成為宇宙學中最熱門的新領域。
再游離的謎題
根據大霹靂學說，早期宇宙充斥著高熱電漿，就像一大鍋由質子、電子、光子與少數其他粒子所構成的宇宙湯。自由流動的電子經由湯姆森散射（Thomson scattering）與光子交互作用，將物質與輻射緊密結合在一起。之後，隨著宇宙膨脹，這團電漿逐漸冷卻下來，直到溫度降至3000K時，質子與電子便結合成電中性的氫原子。此時湯姆森散射程序結束，光子與物質的交互作用不再那麼強烈，因而形成微波背景。宇宙膨脹持續冷卻這些氣體，因此我們預期這團宇宙氣體在今日仍然應該保持著低溫與電中性的狀態。
令人驚訝的是，事實並非如此。雖然我們周遭的世界是由原子所組成，宇宙中大部份的普通物質，到今天還是以電漿的型態存在於星系際空間的深處。觀測已知最遠（因而最古老）的類星體、星系和γ射線爆發所得的能譜指出，這四處擴散的宇宙氫氣在宇宙10億歲前便已完全游離了（見2002年12月號〈太虛之境〉）。三年前，威金森微波異向性探測器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP）確認了微波背景輻射具有輕微的偏極化現象，等於是強烈暗示我們黑暗年代究竟發生什麼事，因為中性氫並不會極化背景輻射，這事只有游離氫可以辦到。偏極化的數量顯示，早在大霹靂後數百萬年，氣體便已游離。因此在黑暗期結束前，原子必定已被拆解成質子與電子
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紅外光下所見的仙女座星系(M31)。
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大多數的研究人員把這個再游離的過程與第一代恆星聯結在一起。游離氫原子需要13.6電子伏特，相當於一個紫外光光子所能提供的能量。這能量其實沒有多大──游離每公斤的氫需要約109焦耳的能量，遠低於等量的氫進行核融合所釋放出的1015焦耳，所以就算宇宙中只有百萬分之一的氫在恆星內進行核融合反應，也能產生足夠的能量把剩下所有的氫給游離掉。其他的研究人員猜想，是因物質墜落黑洞而游離了背景輻射。每公斤的物質掉入黑洞時，最多可產生約1016焦耳的能量。因此只要宇宙裡千萬分之一的氫墜入黑洞，便可游離剩餘的氫了。
由於恆星和黑洞都藏身於星系內，所以再游離發生前，星系必然已經形成了。雖然大部份的人認為星系是恆星的聚合體，宇宙學家卻只把它們視為一大團的物質，而恆星是後來才產生的。事實上，星系主要由暗物質構成，那是一種未經確認且不可見的物質型態。星系的成因被認為是由宇宙中密度稍高於平均值的區域，憑著自身的重力把物質聚集在一起。雖然這個區域起初就像宇宙中其他地方一樣地膨脹，但它額外多出的重力會減緩膨脹速率，最終逆轉形勢，使得該區域產生自我塌縮的現象，進而形成一個受束縛的物體──星系。
依據現有的模型，矮星系是在宇宙約一億歲時開始形成的。隨著時間的進展，它們相互合併，建構出更大的星系。像銀河系這類現代星系，是由上百萬個這樣的矮星系接合而成的。在胚胎星系裡，氣體冷卻之後裂解成碎片，然後形成恆星。恆星的紫外輻射滲入星系際空間，將電子踢出原子，製造出膨脹的游離氣泡。越來越多的氣泡隨著新星系的建立而出現，星系際氣體因此看起來像極了多孔的瑞士乳酪。這些氣泡開始重疊，合成更大的氣泡，最終充塞了整個太空。
雖然上述這一連串事件，聽起來不無可能，但目前只擺放在理論學家的心中。講究實際的宇宙學家，希望在為教科書增補遺漏的章節前，能先看到再游離的直接證據。另外，只有透過觀測，才能判斷主導整個再游離過程的究竟是恆星還是黑洞，也才能了解暗物質的特性。但如果黑暗期真是黯淡無光的話（至少在剛開始時），又如何能夠進行這種觀測呢？
【本文轉載自《科學人雜誌》2006年12月號】
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