超新星爆发可能阻碍了让宇宙摆脱黑暗的关键光线

这项研究于2026年10月15日发表在《自然·天文学》上。研究人员通过观测附近的恒星暴星系，发现超新星引发的强烈星系风可能并没有为紫外线开辟道路，反而增加了中性气体和尘埃对辐射的遮挡。这一结果为理解早期宇宙如何结束漫长的“黑暗时代”提供了新的线索，也意味着科学家可能需要重新审视超新星在宇宙再电离过程中的作用。

大爆炸发生后，宇宙经历了漫长的膨胀与冷却过程。最初，宇宙中的物质主要由氢、氦等元素构成，随着温度下降，质子与电子结合形成中性原子。此后，在第一批恒星和星系出现之前，宇宙中缺少能够持续发出强烈光线的天体，因而进入通常所说的宇宙“黑暗时代”。

第一批恒星和星系形成后，情况开始改变。年轻而炽热的大质量恒星能够发出高能紫外线，其中一部分光子的能量足以将氢原子电离，使原本中性的氢原子失去电子，变成带正电的质子。随着电离区域不断扩大并逐渐相互连接，星系之间的气体也开始变得更容易让光线穿透。

这一过程被称为“宇宙再电离”。它是宇宙演化史上的重要转折，不仅改变了星系之间气体的物理状态，也决定了早期星系发出的高能辐射能否传播至遥远的宇宙空间。

不过，年轻恒星发出的紫外线并不一定能够直接逃离星系。星系内部充满气体和尘埃，其中的中性氢能够有效吸收特定波长的紫外线。即使一颗恒星能够产生大量电离辐射，如果这些光线被周围物质吸收，也就难以对星系外部的宇宙气体产生影响。

为了解释电离辐射如何逃逸，科学家此前提出了一种重要机制：大质量恒星在演化末期发生超新星爆发，释放出巨大的能量，推动周围气体高速向外运动。理论上，这些爆发能够驱散星系内部的气体，形成密度较低的通道，使年轻恒星产生的紫外线更容易穿透星系。

这种解释已被纳入不少宇宙学模拟之中。但最新观测表明，超新星驱动的星系风并不总是有利于辐射逃逸，在某些情况下甚至可能产生相反效果。

研究团队利用哈勃太空望远镜的宇宙起源光谱仪，观测了六个附近的恒星暴星系。恒星暴星系是指恒星形成活动异常活跃、单位时间内能够产生大量新恒星的星系。它们距离地球相对较近，因而可以用于研究气体运动、恒星形成和辐射传播等细节，并帮助科学家理解遥远早期宇宙中可能发生的相似过程。

研究人员分析了这些星系的紫外光谱，测量其中电离辐射的逃逸比例，同时利用气体吸收特征判断星系风的运动速度。由于不同速度的气体会在光谱中留下不同位置和宽度的吸收特征，研究人员能够据此推断气体流动的状况，并比较星系风与辐射逃逸之间的关系。

结果显示，在研究涉及的星系中，星系风速度越快，能够逃逸的电离辐射比例往往越低。换句话说，气体外流越强烈，星系内部的紫外线反而越难穿透周围物质。

研究人员认为，这可能是因为超新星爆发将大量能量注入星系周围的气体，扰动了原本相对稳定的气体和尘埃分布。外流虽然能够把物质推向星系外围，却也可能使中性氢和尘埃在某些方向上形成更广泛的遮挡，从而减少电离辐射逃逸的机会。

这意味着，星系风并非简单地将气体清除得越多，紫外线就越容易逃逸。其实际作用取决于气体的密度、分布方式、运动状态，以及辐射在星系内部传播的具体路径。强烈的气体运动可能同时产生清除和遮挡两种效果，而哪一种占据主导地位，需要通过实际观测来判断。

研究团队提出，电离辐射可能存在一个重要的早期逃逸阶段：在大质量恒星形成之后、第一批超新星大规模爆发之前，年轻恒星产生的辐射就可能已经开始穿透周围气体。等到超新星相继爆发，强烈的气体外流形成后，辐射逃逸反而可能受到抑制。

这一解释与传统理论存在明显区别。过去的模型往往强调超新星爆发能够通过清理星系内部物质，为电离辐射创造更有利的传播环境。新研究则提示，超新星驱动的气体外流可能并非开启辐射逃逸的必要条件，至少在某些星系演化阶段，年轻恒星自身的辐射以及恒星形成区域周围的气体结构，可能发挥更直接的作用。

约翰斯·霍普金斯大学研究人员斯蒂芬·麦坎德利斯表示，观测结果显示，超新星向周围环境注入的能量，可能增加阻挡电离辐射的中性气体和尘埃的覆盖程度。这一发现要求科学家进一步研究，在强烈的超新星活动出现之前，年轻恒星的辐射和恒星风究竟如何改变周围环境。

浙江大学研究人员岑仁玉也指出，超新星在解释电离辐射逃逸的宇宙学流体动力学模拟中一直占据重要地位。此次研究提示，相关模拟需要更加仔细地考虑第一批超新星爆发之前，年轻恒星的辐射和恒星风如何影响星系内部气体。

不过，这项研究并没有直接观测到宇宙再电离时期的星系。由于再电离发生在约130亿年前，研究人员无法像观察附近星系那样，直接解析当时星系内部的气体运动。因此，他们选择观测附近的恒星暴星系，借助这些相对容易研究的对象，检验早期宇宙中可能存在的物理机制。

这也意味着，研究结论仍有一定局限。此次样本只有六个星系，无法证明所有星系中的超新星风都会抑制电离辐射逃逸。不同星系的质量、恒星形成速度、化学组成和气体结构可能存在很大差异，相关机制在不同环境中的作用也可能有所不同。

研究团队计划争取更多哈勃望远镜观测时间，扩大样本规模，并进一步研究不同星系中辐射逃逸比例与气体外流速度之间的关系。更多观测将有助于确定，年轻恒星阶段的辐射逃逸是否普遍存在，以及超新星爆发在整个过程中究竟发挥怎样的作用。

对于宇宙再电离的研究而言，关键问题不仅是第一批恒星和星系何时出现，还包括它们产生的高能光线如何穿过自身所在的星系，并影响更广阔的宇宙环境。即使早期星系能够产生足够强烈的紫外线，如果这些辐射无法逃逸，其对星系际气体的影响仍然有限。

哈勃望远镜的这项发现表明，宇宙摆脱原始氢气“迷雾”的过程，可能比此前的简单模型更加复杂。超新星爆发既能重塑星系内部的物质分布，也可能在某些条件下阻碍电离辐射传播。随着更多观测数据积累，科学家有望进一步厘清年轻恒星、超新星、气体和尘埃之间的相互作用，重新构建宇宙从黑暗走向透明的演化图景。