早期宇宙的黑暗深处与《塞尔达传说：王国之泪》有什么共同点？答案远超你的想象。

插图左侧展示了《塞尔达传说：王国之泪》游戏中，主人公林克在海拉鲁大陆地底的情景。远处可以看到一个未激活的破魔之根。插图右侧则描绘了膨胀宇宙中三个相邻的恒星形成区域，它们的“再电离气泡”为星光刺透宇宙清出了道路

当我们所知的宇宙从炽热的大爆炸中诞生时，它充满了各种各样的高能粒子、反粒子和辐射量子：这就是宇宙的原始汤。随着时间的推移，它膨胀又冷却，最终冷却到足以产生稳定的中性原子，这时，时间已过去了几十万年。尽管在这段宇宙历史的前1亿年至前1.5亿年内很可能形成了最早的恒星和星系，但在长达5.5亿年内，宇宙在很大程度上仍然是黑暗、对光不透明的，这是因为早些时候形成的中性原子极其擅长阻挡光的光学波长。只有通过渐进、缓慢的宇宙再电离过程，宇宙才变得对光透明。

虽然像詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）这样的新颖天文台为我们提供了大量有关宇宙再电离的知识，但是有一个极好的类比可以帮助大家理解宇宙再电离，《塞尔达传说》视频游戏系列的最新作品《王国之泪》。在海拉鲁王国的地下，是一片被称为“地底”的黑暗、广袤的地下区域，正是这些地底区域可以给我们许多启发，让我们搞懂宇宙再电离如何让宇宙变得对可见光透明。

尽管我们仍未理解宇宙成长过程中的许多细节，但其“故事主线”已经非常明确了。我们知道，它起初的状态炽热、致密、基本均匀，此后膨胀又冷却，同时受到了引力的作用。有些区域诞生时的密度略高于宇宙平均密度，另一些区域诞生时的密度则低于平均。随着宇宙演化，密度较大的区域逐渐吸引了越来越多的物质，而密度较小的区域则将物质输送给了周围密度相对更大的区域。随着时间推移，这导致了大尺度结构的形成：这些结构最终会成为紧密结合在一起的恒星、星系、大型星系群和星系团。

但当第一批恒星从气体和物质的坍缩中形成时，它们的四周都被大量的中性原子包围着。尽管恒星本身在核心点燃核聚变后会发出大量的电离紫外线辐射，但周围的中性物质对它们来说实在是太多了，多到它们无法穿透周身的黑暗。光只能在恒星周围产生一个有限距离的“电离气泡”，其余所有的光都会被星际空间中的中性物质吸收——或者像天文学家说的那样，被消光。

与之类似的是，当塞尔达系列的主人公林克第一次潜入海拉鲁地底时，他发现自己正独自站在一片黑暗的深渊中，看不到周围的任何东西，伸手不见五指。当然，地底有各种各样的危险（公平地说，这些危险在早期宇宙中是不存在的），但林克有着对抗这种黑暗的关键工具。在游戏早期，林克能够碰到并收集的物品之一叫作“光亮花的种子”，它们有两种类型：普通型和巨大型。

一位艺术家对早期宇宙环境的印象，此时已有数万亿颗恒星形成、生存并消亡。尽管早期宇宙中存在光源，但光会被星际或星系间物质迅速吸收，直到再电离完成。虽然詹姆斯·韦布空间望远镜正在努力揭示这些早期恒星存在过的证据，但它只能揭示那些光线没有完全被中性物质消光的星系

类比而言，林克的初始位置可以被认为是太空中首个引力密度大到足以形成恒星的区域，而光亮花的种子就像那第一批发光的大质量恒星。虽然它们只能照亮林克周围的一小段距离，但这是对于早期宇宙的一个完美类比，因为阻挡光线的中性物质使得小型电离气泡外的一切都难以看清，而在气泡内，紫外线已将中性原子内的电子踢走，令其不再阻挡光线。

在林克首次潜入地底并探索周围环境后，他有两条路可以走：他可以随时离开地底，只需把自己传送回海拉鲁大陆（或天空）即可；或者，林克也可以继续探索地底，直到遇见一个等待被激活的巨大光源：这个结构被称为破魔之根。

如果林克离开地底，等他稍后返回地底时会发现，他此前通过种植普通和巨大光亮花的种子照亮的每个区域都已重陷黑暗。之前种植的所有光亮花种子如今都消失了，不留一点痕迹。

对于宇宙中最早形成的恒星来说，这是一个完美的类比。如果有一片太空区域，在早期，区域内有恒星首次形成，随后，星体形成停止，那么周围被电离的原子并不是被“吹”去了星系间的太空深渊，而是保持着电离状态：原子核裸露，自由电子则漂浮在周围。一旦大部分紫外线消失（也就是当最富含紫外线、质量最大、寿命最短的恒星耗尽燃料死去时），这些原子核和电子就会再次找到彼此，重新组合成中性原子。尽管区域内应该仍有长寿恒星的较小“核心”存活，防止该区域完全变为中性，此前被照亮的大部分空间都会重陷黑暗，这和海拉鲁地底的情况一模一样。

然而，林克也会在海拉鲁地底发现一种被称为“破魔之根”的物品。当你激活这些破魔之根时，它们会呈现为强大、持续的光源，照亮以它们所在位置为中心的大片黑暗区域。它取代了附近的任何光亮花种子，只是简单地将一个大致呈球形对称的巨大区域内的黑暗彻底驱散。林克甚至可以远离破魔之根、在黑暗中前进相当一段距离，却仍然可以看到点亮的破魔之根。而且，当林克传送离开再返回时，他会发现破魔之根的光并未随着时间的推移减弱。

这件事也能在宇宙学中找到类比：破魔之根就像一个耀眼且质量巨大的早期星系，在很长一段时间里，它不断地生长并形成明亮的恒星。这些明亮的光源会输出横跨整个电磁波谱范围的大量辐射，包括紫外线，而且随着时间的推移，这种输出保持不减甚至增长，人们认为早期宇宙中许多的恒星形成区域就是如此。这最终在它们周围形成了一个巨大、持续的电离物质“气泡”，并且这些气泡在宇宙自身膨胀的同时也在继续增长。只有在这些气泡的边缘之外，才能找到更多阻挡光线的中性原子，与此同时，随着宇宙不断扩张和演化，气泡也继续缓慢地向外蔓延。

但是，当林克距离激活的破魔之根很远时回头看它，会看到什么呢？在《王国之泪》中，有两种方法可以找到答案：要么让林克步行到远离破魔之根照亮的球形区域的地方，要么先离开地底，再从其他位置下地。如果你不看点亮的破魔之根，而是望向其他方位，那么你的视野就会不出意料地重陷黑暗。然而，当林克回头朝破魔之根的方向眺望时，取决于他和已激活的破魔之根之间的距离，他也许能够辨认出它的位置和形状。他在黑暗中离它越远，它就越是显得模糊黯淡、难以辨认。

在阻挡光线的中性物质仍然存在时，当我们观察超远宇宙中的天体，会注意到同样的情况。尽管这些发光天体本身非常明亮，但我们看到它们的能力取决于我们视线方向上阻挡光线的中性物质的浓度。目前发现的最为明亮、遥远的天体中，有一部分只能通过詹姆斯·韦布空间望远镜观测到，因为它在红外观测方面做了优化，但是另一些天体仍然在我们强大的光学望远镜（如哈勃望远镜）的观测范围之内。这种阻挡光线的中性物质只能吸收部分光线，因此，决定消光程度的是发光源和我们自己（最终的观测者）之间的中性物质总量。

在《王国之泪》中，当光亮花的种子被种植到海拉鲁地底的土地上时，它会在种子周围创造一个被照亮的区域，驱散一定范围内的黑暗。但要永久照亮一片更大的区域，就必须激活破魔之根

哈勃空间望远镜之所以能像这张图一样向我们展示这个遥远的星系GN-z11，只是因为它位于一个大部分星系间介质都被再电离的区域。其他处于相同距离，但并未位于再电离制造出的、幸运地超出均值的视距范围内的星系，只能以更长波长的形式呈现

常规而言，林克会在冒险过程中潜入各个地点的地底，在黑暗中不断种下光亮花的种子和巨大光亮花的种子，直到他找到破魔之根并激活它，随后破魔之根会驱散周围的黑暗。但因为林克一次只能出现在一个地方，所以这些“光点”在亮起并驱散周围的黑暗时会呈现出成团聚集的形态。先是有一个地方亮起了光、照亮黑暗，然后附近的其他地方也亮起光，再之后——也就是林克离开地底后——光会零星在别处亮起：在林克下一次进入地底的位置。

随着时间的推移，这最终会在地底创造出一种“瑞士奶酪”型的光结构，来自相邻破魔之根的光芒会叠加起来，变得比任何一个破魔之根单独亮起时更亮。彼此临近的多个破魔之根被激活后，会进一步照亮它们附近的环境，经常会令光线照到出乎预料的地点。如果存在难以进入的黑暗区域或是被激活的破魔之根包围的未激活破魔之根，哪怕这些区域周围已被点亮许久，区域内仍会保持黑暗。甚至到了游戏的最后阶段，这些区域仍有可能黑着。

每一个被激活的破魔之根（在地图上由菱形表示）都会照亮周围很长一段距离内的黑暗。如果像图中这样激活了多个相邻的破魔之根，那么它们照亮的部分将比任何一个破魔之根单独被激活时更亮

虽然在不断膨胀的宇宙中，时常有恒星在不同的太空区域同时形成，但在再电离过程中出现的“瑞士奶酪”结构与《王国之泪》中地底随着时间的推移逐渐被照亮的情形极为相似。在恒星不断形成的地方（它们通常会通过并合与吸积形成星系），这些再电离气泡就会出现。尽管宇宙在膨胀，但这些气泡也在增长，此外，每当有原始物质触发恒星首次形成，这些地方也会出现新气泡。

当然，海拉鲁的地底并不会膨胀扩大，所以如果我们想要比较这两种情境，我们必须将膨胀这个条件剔除，但我们仍能发现共通的特征。

当两个恒星形成区域彼此接近时，它们的再电离气泡将会重叠，使得来自各自区域的紫外光子传播更远的距离，从而形成一个更大的、不断增长的气泡，同时包围两者。当再电离的小气泡被较大的气泡取代时，较大的气泡占主导地位，但是较小的气泡仍有其贡献。

随着新的光源出现，早期的气泡和后产生的气泡融合，最终增长到极大，足以照亮周围的大部分区域。

宇宙中的第一批恒星被吸收星光的中性原子（大多是氢原子）包围。随着更多恒星代代相继地形成，宇宙逐渐再电离，使我们能够完全看到星光，并研究观测对象的基本属性。然而，在远离恒星光源的区域，中性原子可以持续存在比平均宇宙时间更长的时间

在宇宙的例子里，当再电离完成时，宇宙对所有波长的光都变得完全透明，包括可见光。

然而，海拉鲁的地底和再电离的宇宙之间存在着一个主要且重大的区别，就算撇去宇宙会膨胀这一条件，就算意识到在不同地点会同时发生多个“点亮”事件，这一区别仍然存在。

随着时间的推移，海拉鲁的地底变得越来越明亮，因为此前点亮的破魔之根永远不会熄灭，同时又不断有新的破魔之根被点亮，最终，地图将仅仅由破魔之根——地底最亮的光源——完全点亮。

然而，在实际的宇宙中，我们并不期望这种情况发生。虽然在《王国之泪》中，最终照亮整个地底的是破魔之根，而非巨大或普通光亮花的种子，但在真实宇宙中，真正重要的是紫外线的总通量，而不论其来源。尽管詹姆斯?·韦布空间望远镜（以及其他天文台）最擅长发现亮度最大的光源，但据估计，绝大多数的紫外光子（至少80%，至多95%）都是由较小的结构产生的：恒星团和小型星系，而非产生最多辐射的巨型恒星。詹姆斯?·韦布空间望远镜和其他现代天文台的一部分科学目标就在于准确地了解不同大小和亮度的星系是如何最终使宇宙完全再电离的。

资料来源 Big Think

———————

本文作者伊森·西格尔（EthanSigal）是一位理论物理学家、科学作家，他的播客很受欢迎