28. 第一代恒星和星系是何时、如何形成的？

When and how did the first stars and galaxies form?

对宇宙的观测结果导致了宇宙大爆炸理论，而宇宙从其爆炸到现在已经过了137亿年的时间。137亿年后的今天，如果在一个晴朗的夜晚，你站在地球上仰望星空看到的场景是：满天很小的星星和巨大明亮的月球。如果你能用最好的望远镜，可以看到更远和更详细的星空图景，你一定会发现这些发光的恒星是群聚在一起的，它们会形成不同的星系。下图图1是一张哈勃望远镜在很小的范围内拍摄的哈勃深空照片，照片上展示了多达1万个星系的天空场景，这张照片包含了一些目前已知的最微弱和最遥远的星系。

图1 哈勃深空照片（来自网络侵删）

在我们的宇宙中估计至少存在大约一千亿个和我们银河系一样的星系。这些星系千差万别，每一个星系的形态都是独一无二的（如图2所示）。这些星系由大量的恒星及其周围的星体组成，然而我们今天所看到的这些恒星和星系，它们到底是怎么形成的？

图2a 星系图片之一（来自网络侵删）

图2b 星系图片之二（来自网络侵删）

根据我们现在的认知推测，宇宙大爆炸之后很快就产生了强子夸克的等离子体凝胶，随着凝胶体积膨胀温度降低，凝胶就聚集产生基本粒子，如质子、电子等。随着宇宙的继续膨胀，质子和电子的温度逐渐降低形成氢元素，氢原子聚集形成大量的高密度氢气，这些氢气由于引力作用逐渐聚集成庞大的星云（图3所示），于是在大约1亿年前，第一代由氢和氦组成的巨大星体团诞生。这些为数众多的富含氢和聚变氦的第一代巨大星体，依靠其强大的密度和引力内核点火而发生聚变反应，其高密度核不断通过强大引力吸积周围的氢和聚变产生的氦从而最终达到一个和超新星爆发一样的临界点，然后其通过这种超强度的爆发抛出大量的能量和聚变物质，从而产生了星际间的重元素物质，这些重元素物质最后又慢慢冷却形成了我们今天看到的太阳系中的由各种元素组成的行星物质。最后这些如太阳系一样的星系又通过吸引形成更加庞大的星系，以至于最后形成了今天我们看到的宇宙图像（图3所示）。

图3 宇宙大爆炸之后星体和星系形成过程的想象图一（来自网络侵删）

然而以上星体和星系的形成过程都只是一种根据现有观测和知识所做的合理猜测和想象，因为到如今还没有一个研究小组在宇宙的观测中观察到这种第一代的庞大星体团（图4所示），也没有人在宇宙星系观测中找到由庞大星体爆发所形成第一代星系的任何证据。所以第一代的星体和星系到底怎么形成，到今天依然是一个谜，只不过现在卫星观测和望远镜观测所积累的数据正在进一步更细节地确定：到底什么时候这些第一代庞大星体消耗完这些曾经充满整个宇宙的由氢所组成的星云而逐渐过渡成庞大的星系。

图4 宇宙大爆炸之后星体和星系形成过程的想象图二（来自网上侵删）