宇宙的第一朵云

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今天宇宙中的化学物质并不是过去的样子。环绕我们的恒星、行星与星际间气体由碳、氧以及比氢和氦——在宇宙大爆炸之后的几亿年中仅存的两种物质——重的其他许多元素混合而成。直到最近，还没有人见过任何来自宇宙历史早期的原始气体。如今，天文学家在110多亿光年之外的一个遥远的宇宙角落发现了包含这些原始物质的两个云团。

美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的天文学家Michele Fumagalli在该校发布的一篇新闻稿中指出：“我们仔细地搜索了氧、碳、氮和硅——这些被发现大量存在于地球和太阳中的物质。除了氢和氘（氢的一种同位素），我们没有找到其他物质的任何蛛丝马迹。”Fumagalli和他的同事日前在美国《科学》杂志网络版上报告了这一研究成果。

这项发现为一个被广泛接受的宇宙早期进化理论提供了关键的观测证据。研究人员相信，宇宙形成之初是由包含轻元素——大部分是氢和氦——的气体构成的。最早的恒星是在宇宙大爆炸3亿年后由这种物质形成的。随着这些早期的恒星燃烧它们的燃料，它们将较轻的原子融合在一起从而产生了较重的元素，例如碳和氧，这被天文学家称为金属。当恒星爆发为超新星时，这些较重的元素又被喷发到宇宙空间中。由被这些较重的元素“污染”的气体形成的一代代恒星的诞生和死亡向这些混合物中添加了更多的重元素，从而使宇宙的整体化学构成越来越富集金属。

Fumagalli和他的同事使用凯克望远镜搜索了遥远的宇宙，可以追溯到宇宙大爆炸后仅20亿年。由于宇宙在那时依然很年轻并且尚未被金属严重污染，研究人员希望能够探测到相对原始的气态云团。为了搞清云团的化学成分，他们分析了来自一个背景类星体的光谱——这些光线在射向望远镜的过程中穿过了云团。

Fumagalli指出：“对于这两个云团，我们清楚地看到了与氢的存在有关的多重线，并且在一个云团中，还有与氘（即氢原子拥有额外的中子）有关的多重线。”他说：“但是我们在这两个云团中都没有看到任何金属（例如碳、氧、硅）的特征线。这些线的缺失告诉我们气体是不含金属的。”

这一发现的一个意义是第一批恒星的爆发——被认为发生在宇宙大爆炸之后的10亿年到8亿年之间——并没有向宇宙中散播重元素。Fumagalli表示：“我们看到的宇宙大爆炸20亿年后的气体不含金属的事实正在告诉我们，金属在宇宙中的喷射和散布并不是一个完全有效的过程。”

巴西圣保罗大学的天体物理学家Beatriz Barbuy认为，这一发现支持了最早的恒星“是由非金属云团形成”的想法。她表示，该成果将帮助天文学家构建更好的早期恒星形成模型。

Fumagalli表示他和同事将继续此项研究以描述这两个云团所处的环境。他说：“目前，我们并不知道它们是处于空旷的区域还是位于星系的附近，我们需要获得那一部分空间的图像和其他光谱来回答这个问题。”


Detection of Pristine Gas Two Billion Years After the Big Bang

10.1126/science.1213581

In the current cosmological model, only the three lightest elements were created in the first few minutes after the Big Bang; all other elements were produced later in stars. To date, however, heavy elements have been observed in all astrophysical environments. We report the detection of two gas clouds with no discernible elements heavier than hydrogen. These systems exhibit the lowest heavy-element abundance in the early universe and thus are potential fuel for the most metal poor halo stars. The detection of deuterium in one system at the level predicted by primordial nucleosynthesis provides a direct confirmation of the standard cosmological model. The composition of these clouds further implies that the transport of heavy elements from galaxies to their surroundings is highly inhomogeneous.