是谁电离了全宇宙？

为了探索宇宙的黎明时期，科学家们开始了对第一代发光天体的探索。我们不禁要问，电离宇宙中所有中性氢的第一代发光天体究竟是谁？它们需要产生足够的电离辐射来电离宇宙中的氢，把电子从原子核的身边剥离。这也成为目前观测宇宙学中的最重要的问题之一。

要使得中性氢电离需要13.6电子伏特的能量，对应的便是波长短于91纳米长度的光子（即紫外线部分）。因此，电离中性氢的候选者必须具备紫外线或者更高能量的光子，可能是第一代恒星，或者是类星体。

第一代恒星，或者称为第三星族恒星，它们与现在宇宙中的年轻恒星不同，它们由没有比氦更重的元素构成。第三星族恒星像是一团高热巨大的球，比之后形成的第二星族恒星能够辐射出更多的光子，这些光子可以使宇宙中的中性氢电离。虽然至今依然没有直接观测到第三星族恒星的存在，但是根据理论模型、数值模拟和间接观测证据，第三星族恒星被认为是宇宙再电离的可能能量来源。

类星体是一类离地球最遥远而能量最高的活动星系核。它们比10万亿个太阳还要明亮，是宇宙中最强的星体。类星体的体积比星系要小，然而，它们释放的能量却是星系的至少千倍以上。

目前科学家发现的最遥远的类星体距离我们130亿光年，其质量是太阳的16亿倍。类星体能够高效地完成由质量到能量的转变，其辐射出的能量可以成为宇宙中中性氢电离的能量来源。然而，至今我们尚未清楚，具体有多少类星体在宇宙再电离时期出现，来完成宇宙的再电离过程。

21厘米辐射：

揭秘宇宙黎明和再电离时期的钥匙

宇宙中的中性氢被电离之后，会发出波长为21厘米的辐射。对其进行探测，可以了解宇宙的黎明和再电离时期。

中性氢的21厘米辐射是由中性氢精细能级跃迁产生的。中性氢的电子存在着自旋平行和反平行两种状态，当这两种状态发生转换时，便发生了精细能级间的跃迁。

然而，中性氢发生自发精细能级跃迁的概率非常小，对于一个氢原子而言，发生一次自发跃迁需要的时间是大约一千万年。因此，需要提供很高能量来实现中性氢精细能级的跃迁。第一代发光天体辐射出的光子加热中性氢，使其周围的中性氢发生了精细能级跃迁。

随着宇宙的膨胀，宇宙黎明和再电离时期的中性氢21厘米信号传播到今天处在米波波段，也就是低频射电波段。因此，我们可以在低频射电波段通过不同的方法，探测中性氢21厘米信号来研究第一代发光天体的形成，从而了解宇宙的黎明和再电离时期。

第一种探测方法是以宇宙微波背景辐射为背景。星际介质中的氢原子通过发射和吸收21厘米光子，在微波背景的亮温度上产生起伏。当中性氢的自旋温度高于宇宙微波背景辐射的亮温度时，会产生21厘米发射信号；当中性氢原子的自旋温度低于宇宙微波背景辐射的亮温度时，则会产生21厘米吸收信号。因此，可以通过探测相对于宇宙微波背景辐射亮温度上的起伏来探测中性氢的发射和吸收信号。

第二种探测方法的观测对象是“21厘米森林”。所谓的“21厘米森林”是以高红移的类星体或者伽马射线爆这类射电点源的余晖作为背景，探测不同红移处其光谱上产生的21厘米吸收线，这些吸收线形成形状类似森林的结构，因此称作“21厘米森林”。

然而，中性氢的21厘米信号是非常微弱的信号。我们所处的银河系，还有银河系之外的星系产生的辐射都要比宇宙黎明时期的中性氢21厘米信号高十万倍左右。无论采用何种方法来探测，要想提取出中性氢的21厘米信号都是非常困难的。就好像是一根针沉入了茫茫大海之中，要想找到这根针，需要突破层层的阻碍。

中性氢精细能级跃迁 （图片来源：Wikipedia）