黑暗時期：宇宙演化史上的一段時期，基本上是指從宇宙背景輻射的釋放到第一批恒星誕生的間隔期，是宇宙學研究的一個重要時期。

在宇宙學領域中，揭開暗能量的秘密，即宇宙加速膨脹的來源；捕捉暗物質粒子的蹤跡，即宇宙缺失的五倍于正常物質的質量；探索反物質消失之謎，即宇宙物質起源的問題，可能是當今科學界最大的懸而未決的問題。當然黑洞物理學，從理論上提出其可能存在到確認，再到第一張照片的拍攝也一直受到人們廣泛的關注。

所有這些主題都是宇宙學領域中活躍的研究領域，對這些領域的研究一直在挑戰人類知識的邊緣。今天，我將概述兩個不那么熱門的宇宙學子領域：理解超高能宇宙射線的性質和探索宇宙的“黑暗時代”。這兩個問題也是我們未來需要解決的宇宙謎題。

射入大氣的宇宙射線粒子產生的粒子簇。在左上角放大的區域中，每一行都代表了宇宙射線與大氣粒子碰撞在連鎖反應中產生的新粒子。

超高能宇宙射線

地球大氣層不斷受到來自宇宙各個方向高能粒子的轟擊，這些粒子不像隕石或太空碎片，它們是單個粒子或原子核，其大多數為質子也就是氫原子核。當宇宙射線進入大氣層時，它與地球大氣中的分子或原子相撞，碰撞就會引發產生次級粒子的連鎖反應，這些次級粒子會散布成巨大表面積并落在地球表面，這一事件被稱為粒子“陣雨”。我們已經建造了覆蓋3000平方公里的宇宙射線簇射探測器，其位于阿根廷門多薩的皮埃爾·奧格天文臺。其中有1600個探測箱散布在大草原上，每個探測箱裝有12噸的“純水”，能夠精確地測量出簇射粒子在探測陣列中的相互作用，這樣我們就可以知道宇宙射線的入射方向和能量。

宇宙射線通量(單位面積粒子數)與能量(電子伏特)

10^12電子伏特對應于LHC碰撞中的能量

我們觀測到的宇宙射線的能量跨越了巨大范圍，覆蓋了約10個數量級，這意味著最高能量的宇宙射線大約是最低能量的10^10倍。在最高能量范圍的宇宙射線，被稱為超高能宇宙射線（UHECRs），每個粒子大約有1焦耳的能量。這大概是你把咖啡杯從桌子上舉到嘴邊所需要的能量，但要記住，所有這些能量都包含在一個亞原子粒子中。

另外，大型強子對撞機的能量為10^12電子伏特（10^-6焦耳）。大型強子對撞機是迄今為止人類建造的最強大的粒子對撞機。我們觀察到的UHECRs比LHC高能粒子的能量高100萬倍！

圖中顯示了27個UHECRs（黑圈）的觀測位置。紅色的點顯示活躍星系核的位置，被認為是UHECRs的可能來源。

我們觀察到了宇宙射線的能量趨勢，特別是我們看到的低能宇宙射線比超高能宇宙射線要多得多，在一年中，每平方公里大約可以檢測到10^6個宇宙射線粒子，其中只有1個 UHECRs。由于發現的少，所以我們很難準確地確定UHECRs來自于什么天體，這也使得我們很難判斷是什么將這些宇宙射線加速到極端的能量。到目前為止，在理論上包括超新星爆炸、中子星合并、黑洞產生的物質噴流和伽馬射線爆發，以及其他更奇異的解釋，但沒有一個解釋被證實是超高能宇宙射線粒子的來源。

宇宙時代的時間軸，包括“黑暗時代”:宇宙微波背景和第一顆恒星形成之間的一段時間。

21厘米線

在宇宙微波背景形成之后，宇宙就進入了所謂的“黑暗時代”。這是宇宙演化的一個重要的時期，此時宇宙中沒有明亮的發光物質，也就是說沒有恒星、星系、超新星、脈沖星、類星體或任何其他發出可見光、紫外線或x射線的天體。簡而言之，我們不管用哪個波段的望遠鏡都看不見任何東西。

但這時的宇宙正在引力的作用下發生至關重要的變化，以中性輕元素形式存在的普通物質（其中最豐富的氫）正在密度高于平均區域密度的位置發生坍塌和聚集。這些逐漸形成的團塊中，有一些后來形成了恒星和星系，而另一些沒有形成任何結構的則仍然以彌散氣體的形式存在。

目前，我們繪制普通物質分布圖和收集觀測數據的方法是觀察所有的明亮的發光物質，這些觀測數據為我們的宇宙演化模型提供了重要的信息。但是，我們該如何了解黑暗時代的宇宙呢？由于沒有任何光線，這讓“黑暗時期”，以及宇宙中那些從未坍縮成發光物體的區域，變得難以測量。

在宇宙黑暗時代，有一些區域比平均水平有更多（藍色）和更少（黑色）的物質，但沒有恒星照亮宇宙。

想要描繪“黑暗時代”時期的物質分布，有希望的方法是測量中性氫躍遷后的21厘米線。氫是由一個質子和一個電子組成的，而電子和質子都具有內在的自旋特性。質子和電子自旋方向的相對排列（意思是如果它們的自旋方向都指向同一個方向或方向相反）對氫原子的能量有細微的影響。指向同一方向的自旋（稱為對齊狀態）比指向相反方向的自旋（反對齊狀態）能量略高一些。宇宙中的物體一般都會自發的轉變為可能的最低能量狀態，所以質子和電子自旋對齊的氫原子會自發的發生翻轉，變為反對齊狀態，因為這是一個較低的能量狀態，根據能量守恒定律，高能量到低能量的轉變就會發射出一個光子。而這個光子的波長為21厘米。因此稱為中性氫21厘米發射線。

我們今天看到的宇宙基本上處于電離狀態，這意味著我們觀察到的氣體云是帶正電荷的原子，而不是中性的原子。但宇宙微波背景輻射的形成告訴我們，宇宙中的原子在早期是中性的，所以一定是在某一時刻形成了恒星，其發出的大量X射線電離了中性氣體。只是我們目前不知道恒星是什么時候形成的。目前，關于恒星形成的最初時刻，我們的估計為大爆炸后大約4億年，可能更早。

但通過測量21厘米線就成為“黑暗時期”最佳的探測工具，我們不僅能根據21厘米線繪制出當時中性氣體云的分布，還能知道宇宙的第一顆恒星是何時形成的。例如，當第一顆新形成的恒星開始發光時，我們將能通過測量21里面線的發射光譜中的變化特征，確定恒星的形成時間。

可是想測量21厘米線并沒有那么簡單。我們知道在宇宙歷史空間一直在膨脹，光子的波長也隨之被拉長而發生紅移。因此，“黑暗時期”發射出的21厘米波長的光子現在的波長肯定不是21厘米。

從黑暗時代發出的21厘米光子其波長已經紅移到了大約1米左右。根據光子波長= 1 /光子頻率的關系，這些宇宙光子的頻率現在約為1千兆赫。這與你開車上班時收聽的調頻廣播電臺的輻射范圍完全相同。因此人類廣播的無線電信號將會完全淹沒了宇宙的無線電信號，所以任何21厘米天文臺要么修建在地球上無線電信號比較安靜的地方，要么像哈勃那樣去外太空。事實上，最理想的觀測站之一是月球的黑暗面，因為同步自轉使月球的背面永遠背對著地球，因此月球就能完全屏蔽地球無線電的干擾。這是我們未來科學的目標。

因此宇宙學不光有暗物質，暗能量和黑洞這些大的研究領域和未知問題。上面概述的兩個主題也是宇宙學家正在尋找回答的問題。