首先发生了大爆炸。一切都异常炽热且密集;光子四处飞翔，但它们不断与电子和电离核碰撞。然后，大约38万年后，宇宙温度才足够低，原子得以稳定。宇宙变得光学透明，所有这些光子都能自由漫游数十亿年，让我们能够将它们视为宇宙微波背景。

ESO超大望远镜上的MUSE光谱仪所看到的早期宇宙。图片来源：欧洲航天局/哈勃与NASA

然后呢？黑暗。。。

大约十亿年来，宇宙并没有真正产生新的光。宇宙氢和氦持续冷却，它们庞大的云层尚未坍缩形成第一批恒星。宇宙一直保持黑暗，直到第一批恒星升起，这些恒星足够明亮，足以再次电离氢原子。

从重组到再电离之间的时期被称为宇宙黑暗时代。虽然我们知道该时期存在，但缺乏大量观测证据。没有明亮的恒星，没有冷却等离子体云，也没有发出我们今天宇宙中那种光的物质。但当时有一种光，叫做21厘米线。

我们每天看到的大部分光，都是在激发态原子发出光时，光会降到更低能态时产生的。如果原子中的电子都处于最低能态，那么它们就无法发出光。在宇宙黑暗时代，中性氢和氦冷却到基态，电子无法发光。但事实证明，中性氢由于质子和电子之间的自旋相互作用，可以发出非常微弱的无线电信号。当电子和质子的自旋方向相同时，可以释放出极微小的能量。电子可以翻转自旋并释放出能量。释放的光波长约为21厘米，因此得名。

氢通过质子和电子自旋的相互作用发射光。图片来源：维基百科

氢是宇宙中最丰富的元素，所以21厘米的直线是绘制物质分布的绝佳方式。由于发射的光具有非常特定的波长，我们可以利用多普勒频移等方法观察氢的运动。这就是我们首次发现银河自转指向暗物质存在的原因。

为了研究宇宙黑暗时代，天文学家关注了再电离时代（Epoch of Reionization，简称EoR）期间的21厘米线。那正是第一批恒星和星系开始形成的时期。观测这一时期的挑战在于，这条21厘米线不仅很暗，而且红移严重。直到最近，我们才有了技术，能够很好地观测这一时期。现在有几项新研究发现，宇宙黑暗时代的晚期是黑暗的，但不是寒冷的。

团队使用了西澳大利亚默奇森宽视场阵列望远镜的数据。为了从背景无线电噪声中提取宇宙信号，他们结合了十年的数据，确定了再电离时代的氢线功率谱。由此他们发现，宇宙中的氢在大爆炸后约8亿年开始变暖。在第一批恒星点燃之前，宇宙已经很温暖了。

这一结果很有趣，因为它提出了可能是什么在加热它的问题。一种观点认为，变暖是由早期黑洞产生的X射线引起的。无论来源如何，这些结果都排除了“冷启动”再电离模型的可能性。即使在黑暗时期，宇宙也在积极为我们今天看到的恒星和星系奠定基础。

文中核心信息奇奇参考自论文 "Limits on the 21 cm power spectrum at z= 6.5-7.0 from MWA observations"（Astrophysical Journal,，2025 年），本内容在此相关信息基础上编撰而成，其中配图，未标注出处者，均为自制或公开图库素材。