大爆炸後3億年，宇宙在「黑暗時代」里形成了第一代恆星、星系、黑洞。計算機模擬可以向我們展示宇宙在這一時期中充滿疑問和遐想的波瀾壯闊的過程。
我們的宇宙始於130多億年前的「大爆炸」。大爆炸之後的數億年里，恆星、星系等發光的天體尚不存在，這個時期被稱為宇宙的「黑暗時代」。用任何波長的觀測手段，人們至今都未能觀測到黑暗時代的天體。在宇宙大爆炸後最初的數億年間，恆星、星系還未形成，氣體和暗物質呈瀰漫狀分布，弱電磁波四射，當時的宇宙是名副其實的黑暗宇宙。
不過，黑暗之中並非什麼都沒有發生，而只是尚未被人類觀測到。因此，這個時期其實可被稱為宇宙演化史中尚不明了的黑暗部分。藉助下一代大口徑天文望遠鏡，人類有望觀測到更遙遠的宇宙，並可能直達宇宙的黑暗時代。關於這一時期的宇宙演化，特別是對「黑暗時代如何結束」這一問題，現在國際上從理論和觀測兩方面同時進行著探索，以期解開「黑暗時代」的謎團。
最初的星星
最初的恆星形成雖然發生在宇宙遙遠的早期，但它其實是關係到我們自身起源的重大事件。這可以從以下事實去理解。宇宙大爆炸後不久，宇宙中只有氫（H）、氦（He）等輕元素，但是在地球上除了這些之外，還存在大量的其他元素。例如，人體主要由氧（O）、碳（C）、氮（N）等元素構成。再如，地球主要由鐵（Fe）、矽（Si）、鎂（Mg）等元素構成，氫（H）、氦（He）等宇宙初期的主要元素反而只占很少的一部分。那麼碳、鐵等重元素是何時、在宇宙的何處合成的呢？
超高溫、超高密度是原子核融合形成新元素的必要條件。宇宙大爆炸後的初期，宇宙正處於超高溫、超高密度狀態，因此那裡也是通過原子核融合形成新元素的最理想的場所。但是，在元素合成發生的初期（宇宙大爆炸後大約100秒左右），物質密度非常低，無法形成比氦更重的元素。在那100秒之前的更早時期，元素合成尚未發生，原因是宇宙中充滿了光子。從光子的整體分布來看，高能量光子（γ射線）雖然只占光子的很小份額，但在數量上依然比原子核多得多。因此，在那種狀態下，即使有原子核的形成，也很快會因高能光子的衝擊而被破壞。隨著宇宙的膨脹，光子的能量持續下降，氘（重氫）的合成開始加速，進而合成氦原子核。
那麼，構成地球以及我們人類身體的元素到底是在何處形成的呢？比碳元素更重的元素得以高效合成的場所就是恆星。像太陽那樣自身能光芒四射的恆星，其中心部位能發生核聚變反應，從而將較輕的元素合成為較重的元素。核聚變所產生的巨大能量支撐著恆星的自引力。在星球內部合成的重元素，通過「恆星風」被釋放到宇宙空間，或者在超新星爆炸時擴散到宇宙中。隨著時間的推移，含有這些重元素的星際氣體會重新聚集形成新的星系。如此反覆，構成人體和地球的元素就逐漸形成了。這就是為什麼我們被稱為「星星的子孫」的緣故。
模擬初期宇宙
萬物都有個開始。在「黑暗時代」，宇宙中只有由氫和氦構成的原初氣體，最初的恆星就是依靠這些物質形成的。恆星形成後，在其內部形成重元素，最後以超新星爆炸的形式將內部形成的重元素快速擴散到宇宙空間。一切就從這裡開始，後來才有星系的形成、行星的形成以及我們生命的誕生。毫無疑問，這些「最初的恆星」在宇宙的初期肯定存在過，但是至今通過任何觀測手段依然沒有捕捉到它們的蹤影。難道它們消失在遙遠的時代了嗎？
關於第一代恆星的形成，理論研究特別重要，因為通過近年來精確的天文觀測，對宇宙初期的物質分布狀態已有詳細的了解，標準宇宙模型已基本確定；而且宇宙最初的恆星形成過程中必需的引力、氣體力學、化學反應等要素，基本上都能在實驗室內得到確認。也就是說，充分利用現代物理學知識和技術進行深入研究的話，第一代恆星形成的問題應該能夠得到合理的解答。
天文學家通過超級計算機模擬，追蹤到了太陽大小的第一代恆星的形成。用超級計算機進行模擬，實際上就是進行初期宇宙的實驗。宇宙中最初形成的天體是什麼？這個問題在天文學上一直是個謎。在宇宙初期形成的是恆星還是黑洞？計算機模擬給出的結論是：當時每個恆星是單獨誕生的。當然這個結論最終還需要通過觀測來證實。
超級計算機的模擬結果可以總結如下：首先，第一代恆星是在宇宙大爆發後約3億年形成的。這在137億年的宇宙演化史中應該說是很早的早期。那個時期宇宙中存在著許多相當於太陽100萬倍質量的暗物質團塊，它們不斷吸積周邊的原始氣體，逐漸形成了恆星的搖籃——氣體分子雲。然後，在氣體分子雲中心形成了原恆星（相當於恆星胚胎），其質量約為太陽質量的百分之一，中心溫度約為絕對溫標1萬度，中心密度為每立方厘米0.001克左右，介於水與空氣的密度之間。原恆星的周圍有大量熱氣體，並且逐漸向中心聚集，導致恆星質量逐漸增加，最終發育成巨大的恆星。實際上，用模擬得到的氣體積累的速度對原恆星的演化進行理論計算，發現當時可以形成質量大約是太陽質量100倍以上的恆星。可見，第一代恆星可能在誕生時較小，誕生後繼續發育成巨大的恆星。
今後的研究焦點是了解第一代恆星能發育到多大程度。當恆星質量達到太陽質量的300倍以上時，它在一生的最後時光將發生引力坍縮而形成黑洞，這可能是具有超大質量黑洞的起源的一個候選理論。
第一代恆星發出的光芒
第一代恆星的另一個重要作用是發出「原初的光」。這原初的光點亮了黑暗的宇宙，並且給隨著宇宙膨脹而降溫的宇宙氣體加溫。當恆星質量達到太陽質量的100倍以上時，其光度將是太陽光度的100萬倍以上。當宇宙處在幾億歲的幼年期時，明亮無比的第一代恆星在漆黑的宇宙空間放出光芒，結束了宇宙的黑暗時代。同時，從恆星發出的紫外線使中性氣體發生電離，形成電子和質子混合存在的等離子狀態，這個過程稱為宇宙的再電離。
四十年前，宇宙再電離現象就已經成為天文觀測的對象。1960年，科學家通過觀測遙遠處明亮的類星體，弄清了宇宙中存在的元素種類和數量。然而令人吃驚的是，科學家在1965年進行的研究中沒有找到氫元素大量存在的證據。宇宙空間中真的不存在氫元素嗎？
其實，觀測結果告訴我們，在宇宙空間裡飄蕩的星雲際氣體幾乎完全處於電離態。也就是說，不是沒有氫元素，而是沒有中性的氫元素。大量的氫元素幾乎全部處於電離態，也就是裸露質子的狀態，因此在原子吸收譜上才未留下特徵吸收痕跡。此後的觀測結果也證明，星雲際氣體的確在宇宙早期已經完全處於電離態。不過，再電離具體是何時發生的？這是一個很大的天文之謎。
日美歐共同觀測項目SDSS的課題組發現了距離我們120億光年以上的類星體，並從它的原子吸收光譜中發現了極微量的中性氫的吸收痕跡。從1960年開始人們一直尋找的星系間氣體中的中性氫元素終於被發現了！根據這一發現，我們了解到再電離過程的最後階段發生在宇宙年齡10億年左右。剩下的最大疑問就是再電離是如何發生的。毫無疑問，第一代恆星在宇宙再電離的初始階段起著重要的作用。但是要使大量的氫元素電離，需要非常多的大質量的恆星。根據標準宇宙模型展開的宇宙構造形成理論，引起再電離的光不僅來自每個第一代恆星，而且包括此後產生的質量更大的天體，比如說可以稱為「星系」的恆星集團（原星系）。星系的形成涉及更多因素，比原恆星的形成更加複雜。
用下一代望遠鏡進行天文觀測，可以探討原星系的形成過程。新一代空間望遠鏡詹姆斯韋伯望遠鏡（JWST）、日本也在建設直徑30米以上的巨型地面望遠鏡。這些望遠鏡的重要任務之一，就是研究宇宙的黑暗時代。此外，直接觀測星系際氣體被電離狀態的研究計劃也在進行中。為此需要設法捕捉到由中性氫元素髮出的波長為21厘米的特徵射電波。用射電望遠鏡陣描繪初期氫元素分布的計劃也在推進中，到2025年人類有望能看到「宇宙的黎明」的模樣。
謎一樣的天體「Himiko」
許多研究結果顯示，初期宇宙的天體在早期就已到達演化晚期。美國卡耐基研究所和日本國立天文台的科研人員從初期宇宙中發現了不可思議的巨型天體，稱之為Himiko。Himiko直徑達5.5萬光年，而且十分明亮，作為宇宙早期的天體其規模之大是罕見的，相當於現在星系盤的直徑。這類天體因萊曼α射線而發出強光，被稱為萊曼α Blob，這個Blob是「能向四周擴散的黏狀液體」的意思。Himiko為何會發出強烈的萊曼α射線，目前尚無明確答案。在宇宙8億歲的時期，如果真的存在那麼巨大的星系，那麼，現代宇宙結構的形成，以及星系形成的理論，都可能需要作較大的修整。
人們用萊曼α射線從早期宇宙中發現了比Himiko小得多的明亮天體，日本的「昴星望遠鏡」（Subaru）
對此作出過很大貢獻。位於宇宙最遠處的星系也是用昴星望遠鏡發現的。但是，迄今為止觀測到的最遠的星系依然不是宇宙最初出現的星系。它們的體積和光度達到現代望遠鏡都能觀測到的程度，說明這類天體已經活動了很長時間，並已演化到了質量足夠大的程度。根據理論推測，原始星系的質量大概相當於太陽的1億倍。如果這些星系在原始宇宙中反覆地相互碰撞和併合，最終形成了Himiko這樣的巨型天體的話，宇宙應該在結束暗黑世代後立即進入了碰撞和併合的活動期。
超大黑洞的起源
最後介紹一下天文學上尚未解決的、關於「黑暗時代」的另一個問題。2002年美國SDSS課題組宣稱發現了宇宙中最遠的類星體，名為「SDSS-J1148 + 5521」（阿拉伯數字表示這個天體在天球上的坐標，也就是天體的球面位置）。這個類星體距我們大約有130億光年，其特點是：從射電波到可見光的各種波長都能觀測到它；中心部位有一個相當於太陽質量30億倍的巨大黑洞；其外圍有很豐富的碳、氧、鎂、鐵等較重元素存在；遠紅外望遠鏡的觀測結果顯示，其周圍存在大量的宇宙塵埃。由於這些天體在早期宇宙中就已存在，它們的由來目前還是個謎。這是用現有的宇宙形成理論解釋不了的現象。
實際上，人們對質量在太陽的10億倍以上的超大質量黑洞的形成一無所知。迄今為止，我們知道許多星系的中心部位都存在巨大的黑洞，也知道這些黑洞的質量與星系中心部位的質量之間存在明顯的相關性，這說明黑洞的形成對於星系的形成起著十分重要的作用。但是，SDSS類星體質量之大以及在宇宙早期就已存在的事實，不禁會讓人聯想到這類黑洞比星系誕生得更早。
超大質量黑洞的起源是現代天文學的最大謎團之一，對此，國際上提出了多種多樣的理論模型。其中有一種說法認為，第一代恆星在其進化的最後階段由於自身引力引發星體坍縮而形成黑洞，之後繼續吸積周邊的氣體，質量不斷增加，變得越來越大，最終形成了超大質量黑洞。但是，黑洞吸積周邊物質的速度有限。根據現有的宇宙形成理論，以從原初恆星坍縮後形成100倍太陽質量黑洞為例，這個過程要在8億年這個宇宙年齡前達到太陽質量數十億倍大小的話，需要以接近極限速度吸積外部物質進行生長和演化，而這在天文學上是很難想像的。不少科研人員認為，像超大的類星體 這樣的類星體在數量上並不多，只有順利成長的類星體才能演化為超大質量黑洞。
有關早期黑洞形成的研究，在高能物理學界形成了活躍的研究熱點。高能物理學告訴我們，如果中等質量黑洞反覆碰撞和併合，最終成為超大質量黑洞的話，那麼當兩個黑洞併合時，會釋放出很強的引力波。有趣的是，歐美合作建設的引力波檢測項目LISA將具備檢測到引力波的能力，哪怕它來自宇宙遙遠的遠方。按計劃，LISA將於2020年之前投入運行。如果人們能順利地觀測到黑洞的併合過程，那麼宇宙初期天體形成的很多謎團將有可能迎刃而解。