原文作者：Davide Castelvecchi

　　射電天文學(xué)家通過氫來尋找宇宙最初十億年的線索。

　　要想知道從地球看宇宙是什么樣子，可以想象一個(gè)大西瓜。我們的銀河系是西瓜中央的一顆瓜子，它周圍的空間，也就是粉紅色的瓜瓤上散落著無數(shù)其他瓜子。這些也是我們——中間的那顆瓜子上的住民——通過望遠(yuǎn)鏡能看到的東西。

西澳大利亞默奇森廣角陣列（Murchison Widefield Array）的局部夜景。來源：Dr John Goldsmith/Celestial Visions

　　因?yàn)楣馑偈怯邢薜模虼宋覀兛吹降亩际沁^去的星系。西瓜里離中心最遠(yuǎn)的瓜子是至今為止看到的最早出現(xiàn)的星系，當(dāng)時(shí)宇宙的壽命只有現(xiàn)在的十三分之一——現(xiàn)在宇宙的壽命是 138 億年。離它們更遠(yuǎn)的，也就是薄薄的綠色瓜皮上，就是恒星出現(xiàn)之前的原始之物。這一層代表著只有 38 萬(wàn)歲的宇宙，仍然是一鍋溫?zé)崦髁恋膩喸訙?。我們知道這段時(shí)期存在，是因?yàn)樗墓饩€仍然在空間中傳播——不過，它在漫長(zhǎng)的歲月里已經(jīng)擴(kuò)散了很遠(yuǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)變成了叫做微波輻射的微光。

　　可觀測(cè)宇宙中最神秘的部分是西瓜的另外一層，在綠色瓜皮和粉色瓜瓤之間的部分。這代表了宇宙最初十億年的歷史。天文學(xué)家只看到了這段時(shí)期里的很少幾個(gè)特別亮的星系和其他天體。

　　但這也是宇宙變化最為劇烈的時(shí)期。我們知道這個(gè)轉(zhuǎn)變的結(jié)果——畢竟我們現(xiàn)在就存在于這里——但是不知道到底怎么發(fā)生的。最早的恒星如何產(chǎn)生的？什么時(shí)候產(chǎn)生的？看起來是什么樣？黑洞在星系的產(chǎn)生上起到了什么作用？比普通物質(zhì)重得多，又被認(rèn)為塑造了宇宙演變的暗物質(zhì)，其本質(zhì)是什么？

　　一系列大大小小的射電天文學(xué)項(xiàng)目正在試圖描繪這一未知之境。天文學(xué)家們有一個(gè)簡(jiǎn)單的信息源——氫原子放射和吸收的一個(gè)單一孤立的波長(zhǎng)。氫是大爆炸之后普通物質(zhì)里占絕大比例的元素。為了努力探測(cè)到這一細(xì)微的信號(hào)——氫光譜中波長(zhǎng) 21 厘米的一條譜線，天文學(xué)家們?cè)谑澜缟献钇h(yuǎn)的地方架設(shè)了靈敏度越來越高的天文臺(tái)，其中包括青藏高原上一個(gè)湖泊中的木筏，以及加拿大北極圈內(nèi)的一個(gè)島嶼。

　　去年，澳大利亞內(nèi)陸一個(gè)簡(jiǎn)單得可疑的天線——其真身是宇宙再電離信號(hào)探測(cè)實(shí)驗(yàn)（EDGES）——可能首次在最早的恒星周圍看到了原初氫的線索¹。其他實(shí)驗(yàn)也很快就要達(dá)到描繪原初氫——繼而早期宇宙——三維圖像所需要的靈敏度了?，F(xiàn)在，這是“宇宙學(xué)的最后一塊邊陲”，哈佛-史密松天體物理中心的理論天體物理學(xué)家 Avi Loeb 說。這是一把鑰匙，可以解開一片無形均質(zhì)粒子如何演變成為恒星、星系和行星的謎團(tuán)。“這是我們的創(chuàng)世紀(jì)——我們的來源中的一環(huán)。”Loeb 說。

　　一條細(xì)線

　　大爆炸之后大約 38 萬(wàn)年，宇宙中主要由質(zhì)子和電子構(gòu)成的湯已經(jīng)膨脹冷卻到能夠形成原子的程度了。當(dāng)時(shí)普通的物質(zhì)中氫占了絕對(duì)多數(shù)，但它在電磁譜中的大多數(shù)頻率上都不會(huì)放出或吸收光子。因此，它幾乎是隱形的。

　　但是氫里面唯一的一個(gè)電子是個(gè)例外。當(dāng)電子在兩個(gè)自旋方向間變化的時(shí)候，就會(huì)放出或吸收一個(gè)光子。這兩個(gè)狀態(tài)的能量幾乎完全一樣，因此光子產(chǎn)生的變化也很小。因此，這個(gè)光子會(huì)有相對(duì)較低的電磁頻率，即相當(dāng)長(zhǎng)的波長(zhǎng)，略大于 21 cm。

　　20 世紀(jì) 50 年代，正是氫的這個(gè)標(biāo)記揭示了銀河系的螺旋結(jié)構(gòu)。20 世紀(jì) 60 年代末，現(xiàn)在在德國(guó)馬克斯·普朗克天體物理研究所任職的蘇聯(lián)宇宙學(xué)家 Rashid Sunyaev 等人首先意識(shí)到這條線還可以用來研究原初宇宙。由于宇宙膨脹導(dǎo)致的紅移，今天這些 21 cm 的光子的波長(zhǎng)變到了 1.5 到 20 米之間——對(duì)應(yīng)大約 15-200 兆赫茲（MHz）。

　　Sunyaev 和他的導(dǎo)師（已經(jīng)去世的 Yakov Zeldovich）考慮過使用原初氫信號(hào)來檢驗(yàn)早期的一些宇宙起源理論。但是，他告訴《自然》雜志，“當(dāng)我去找射電天文學(xué)家的時(shí)候，他們說‘Rashid，你瘋了！我們不可能觀測(cè)到這個(gè)的。’

對(duì)早期宇宙再電離時(shí)期的模擬。新星系周圍已經(jīng)電離的物質(zhì)（亮藍(lán)色）不再會(huì)放出波長(zhǎng) 21 厘米的輻射。仍在放出 21 厘米輻射的中性氫原子則顯示為黑色。來源：M. Alvarez、R. Kaehler 和T. Abel/ESO。

　　問題在于，氫譜線紅移到無線頻段之后，會(huì)變得非常弱，因此看起來根本不可能從銀河系以及人類活動(dòng)所散發(fā)出的嘈雜無線信號(hào)中分離出來——包括 FM 無線電臺(tái)和汽車的火花塞都會(huì)散發(fā)出這種信號(hào)。

　　使用 21cm 的光子為早期宇宙繪制地圖在之后的三十年中只獲得了很少的關(guān)注，但是過去幾年的技術(shù)進(jìn)步讓這項(xiàng)技術(shù)變得現(xiàn)實(shí)起來。無線檢測(cè)的基礎(chǔ)沒有變；很多射電望遠(yuǎn)鏡都是用塑料管和絲網(wǎng)這樣的簡(jiǎn)單的材料制造而成。但是，望遠(yuǎn)鏡的信號(hào)處理能力強(qiáng)大得多了。原本為游戲機(jī)和手機(jī)所開發(fā)的消費(fèi)電子部件，現(xiàn)在讓天文臺(tái)能夠以相對(duì)小的投入來處理巨量數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，理論宇宙學(xué)家也為 21 厘米宇宙學(xué)構(gòu)建出了更為詳細(xì)可信的愿景。

　　黑暗與黎明

　　當(dāng)大爆炸產(chǎn)生氫原子之后，宇宙中唯一的光只有現(xiàn)在地球上能看到的一種全方向的長(zhǎng)波輻射，它被稱為宇宙微波背景（CMB）。大約 140 億年前，大爆炸所產(chǎn)生的余暉在人類眼中看起來應(yīng)當(dāng)是統(tǒng)一的橙色。然后天空會(huì)逐漸變紅，隨之緩緩陷入完全的黑暗。那里沒有任何能產(chǎn)生可見光的物質(zhì)，而背景輻射的波長(zhǎng)會(huì)不斷向紅外甚至更長(zhǎng)的頻段移動(dòng)。宇宙學(xué)家將這一時(shí)代稱為黑暗時(shí)代。（見圖“地球視角下的早期宇宙”）

圖片：Nik Spencer/Nature，改編自 J. R. Pritchard & A. Loeb Phys. Rev. D 82, 023006 (2010).

　　理論學(xué)家逐漸意識(shí)到，宇宙的演化會(huì)在充斥其中的氫身上留下三種不同的痕跡。第一個(gè)事件是大爆炸后 500 萬(wàn)年左右開始的，那時(shí)氫已經(jīng)足夠冷卻，使得吸收的背景輻射比放出的要多。這段時(shí)期的證據(jù)今天應(yīng)當(dāng)可以在 CMB 譜中探測(cè)出來，即某個(gè)特定波長(zhǎng)上的強(qiáng)度衰減。這個(gè)特征被稱為黑暗時(shí)代谷。

　　第二個(gè)變化發(fā)生在大約 2 億年之后，物質(zhì)已經(jīng)聚集到了足以形成第一批恒星和星系的程度。這一“宇宙黎明”向星系之間的空間里釋放出了紫外輻射，因此那片空間中的氫變得更容易吸收 21 厘米的光子。因此，天文學(xué)家預(yù)測(cè)會(huì)在 CMB 光譜中另一個(gè)較短的波長(zhǎng)上看到第二個(gè)谷。這就是 EDGES 可能探測(cè)出的特征¹。

　　在宇宙出現(xiàn) 5 億年后，氫發(fā)生了更為劇烈的變化。恒星和星系所放出的紫外輻射足夠亮，使得宇宙中的氫開始發(fā)熒光，成為明亮的 21 厘米光子源。但是，距離第一批星系最近的氫吸收了過多能量，因此會(huì)失去電子變黑。這些黑暗的離子泡會(huì)在 5 億年間隨著星系變大融合而逐漸成長(zhǎng)，因此星系間發(fā)亮的氫就會(huì)越來越少。即使到了今天，宇宙中絕大部分氫仍然都是離子態(tài)。宇宙學(xué)家將這個(gè)過渡稱為再電離時(shí)代（EOR）。

　　EOR 是很多正在進(jìn)行或籌備中的 21 厘米射電天文學(xué)實(shí)驗(yàn)試圖探測(cè)的目標(biāo)。人們希望通過拍攝天空中不同波長(zhǎng)（等價(jià)于紅移）的圖片，來繪制出它隨時(shí)間演變的三維圖譜。“我們可以弄出一部電影。”倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的天體物理學(xué)家 Emma Chapman 說。離子泡何時(shí)形成，形狀如何，增長(zhǎng)多快之類的細(xì)節(jié)可以告訴我們星系如何形成，如何發(fā)光。如果恒星是再電離的主要推手，那么離子泡就會(huì)有漂亮規(guī)則的形狀，Chapman 說。但是“如果有很多黑洞，那它們就會(huì)變得更大，形狀也會(huì)有更多花樣，或是長(zhǎng)出毛”，她說。因?yàn)閺暮诙蠢锷涑鰜淼妮椛涫秃阈侵猩涑鰜淼南啾龋芰扛?，穿透力也更?qiáng)。

　　EOR 還可以為目前基本的宇宙演化模型提供嶄新的驗(yàn)證方式。雖然暗物質(zhì)的證據(jù)有很多，人們還沒能夠判定出它到底是什么。EOR 的信號(hào)可以幫助判定暗物質(zhì)到底是由較慢或者說“冷”粒子——目前大家偏向這種模型——還是更輕更快的“熱”粒子組成，英國(guó)平方千米陣（SKA）的天體物理學(xué)家 Anna Bonaldi 說。“暗物質(zhì)的本質(zhì)是有待解決的問題之一。”她說。

　　雖然天文學(xué)家焦急地想知道更多關(guān)于 EOR 的信息，但他們現(xiàn)在才剛勉強(qiáng)有能力探測(cè)到它。開路的是射電望遠(yuǎn)鏡陣列，它們能比較不同天線的信號(hào)，從而檢測(cè)到天空中不同方向傳來的波強(qiáng)度變化。

　　這之中最先進(jìn)的陣列之一是低頻陣列望遠(yuǎn)鏡 (LOFAR)，它分布在多個(gè)歐洲國(guó)家，以荷蘭的小鎮(zhèn) Exloo 為中心。作為目前全世界最大的低頻射電天文臺(tái)，它也只能為離子泡的大小分布縮小一些范圍。這可以排除一些極端情況，例如說星系間的介質(zhì)極冷就是不可能的，格羅寧根大學(xué)的天文學(xué)家 Leon Koopmans 說，他領(lǐng)導(dǎo)開展了 LOFAR 的 EOR 研究。在近期的一次升級(jí)之后，LOFAR 的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手——西澳大利亞沙漠中的默奇森廣角陣列（MWA），進(jìn)一步縮小了范圍。這份結(jié)果很快就會(huì)發(fā)表。

2018 年，馬里恩島上兩名研究員和他們的天線。這是南非夸祖魯-納塔爾大學(xué)一個(gè)團(tuán)隊(duì)在馬里恩進(jìn)行的探測(cè)高紅移無線強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的一部分。來源：Hsin Cynthia Chiang

　　在研究人員看來，短期之內(nèi)要測(cè)量到 EOR 的真實(shí)統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，而不僅僅是縮小范圍，最好的機(jī)會(huì)可能是另一個(gè)被稱作氫再電離陣列 (HERA) 的項(xiàng)目。這組望遠(yuǎn)鏡包含了 300 個(gè)拋物線形狀的天線，正在南非的北開普省建造，預(yù)計(jì)這個(gè)月就會(huì)開始測(cè)量數(shù)據(jù)。MWA 和 LOFAR 是通用的長(zhǎng)波長(zhǎng)天文臺(tái)，而 HERA 的設(shè)計(jì)則是為探測(cè)原初氫進(jìn)行了優(yōu)化。它緊密排列的 14 米寬碟形天線覆蓋了 50-250 MHz 的波長(zhǎng)。理論上說，這會(huì)使它對(duì)星系剛開始照亮宇宙的宇宙黎明谷，以及其后的 EOR 更為敏感（參見“地球視角下的早期宇宙”）。

　　和同類的其他實(shí)驗(yàn)一樣，HERA 需要處理銀河帶來的干擾。我們的銀河系和其他星系所產(chǎn)生的無線頻段輻射要比原初宇宙的氫譜線要吵上千倍，HERA 的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、加州大學(xué)伯克利分校的射電天文學(xué)家 Aaron Parsons 警告說。幸運(yùn)的是，銀河系放出的輻射有著光滑、可預(yù)測(cè)的譜線，因此直接減掉這一譜線就可以顯示出宇宙的特征。但是，射電天文學(xué)家為此必須精確知道他們的儀器對(duì)不同波長(zhǎng)會(huì)如何反應(yīng)，即它的系統(tǒng)誤差。周圍環(huán)境中的微小改變，例如土壤濕度或是周圍一棵灌木剪了枝，都會(huì)產(chǎn)生影響，這就和 FM 廣播信號(hào)會(huì)根據(jù)你坐在屋里什么位置而發(fā)生變化一樣。

　　如果一切順利的話，HERA 團(tuán)隊(duì)可能會(huì)在幾年內(nèi)獲得關(guān)于 EOR 的首批結(jié)果，Parsons 說。墨爾本大學(xué)的天體物理學(xué)家，也是 MWA 合作成員之一的 Nichole Barry 對(duì)成功率很有信心：“HERA 的靈敏度足夠高，只要能把系統(tǒng)誤差控制住，砰！他們很快就能得到測(cè)量結(jié)果。”

　　和現(xiàn)有的所有陣列一樣，HERA 的目標(biāo)是測(cè)量離子泡的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，而不是繪制三維圖像。想獲得 EOR 的三維圖像，天文學(xué)家最大的希望寄托在 7.85 億美元的 SKA 上，它預(yù)計(jì)會(huì)在下一個(gè)十年上線。SKA 是野心最大的射電天文臺(tái)，會(huì)分布在兩個(gè)大洲上。其中位于澳大利亞的一半被設(shè)計(jì)來收集 50-350 MHz 的頻段，這個(gè)頻段和早期宇宙的氫有關(guān)。另一半在南非，則會(huì)響應(yīng)更高的頻率。

　　原始人宇宙學(xué)

　　望遠(yuǎn)鏡陣列越來越大，越來越貴。但是，另一種觀測(cè) 21 厘米的設(shè)備則看起來仍然很儉樸。EDGES 和很多項(xiàng)目都使用單一天線來收集數(shù)據(jù)，以測(cè)量整個(gè)天空中無線電波某種屬性的平均值為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　這些項(xiàng)目里所使用的天線“挺原始人的”，CfA 的射電天文學(xué)家 Lincoln Greenhill 說。他指的是這些設(shè)備比較樸素。但是研究者們花了很多年時(shí)間痛苦地調(diào)整它們來改變其系統(tǒng)誤差，或是用計(jì)算機(jī)建模來找出系統(tǒng)誤差到底是多少。這是“自虐式的固執(zhí)”，Greenhill 說，他領(lǐng)導(dǎo)著美國(guó)大光圈黑暗時(shí)代探測(cè)實(shí)驗(yàn)（LEDA）團(tuán)隊(duì)。他經(jīng)常一個(gè)人去 LEDA 在加利福尼亞州歐文斯谷的天線執(zhí)行各種任務(wù)，其中包括在天線下面的沙漠上鋪一塊新的金屬屏，用以反射無線電波。

　　由于需要這些微調(diào)，因此整個(gè)領(lǐng)域?qū)?EDGES 的發(fā)現(xiàn)接受得很慢。EDGES 看到的宇宙黎明信號(hào)意外地大，意味著大爆炸之后大約 2 億年時(shí)氫氣比理論預(yù)測(cè)要冷很多，可能是 4 開爾文而不是 7 開爾文。自從這些結(jié)果于 2018 年初發(fā)表之后，理論學(xué)家們寫下了幾十篇論文，提出可能會(huì)導(dǎo)致這些氣體變冷的機(jī)制。但是很多射電天文學(xué)家——包括 EDGES 團(tuán)隊(duì)在內(nèi)——都警告說，應(yīng)當(dāng)?shù)冗@些實(shí)驗(yàn)重復(fù)之后才能接受結(jié)果。

　　LEDA 正在試圖這么做，另外幾個(gè)在更加偏遠(yuǎn)地區(qū)的實(shí)驗(yàn)也是一樣。印度拉曼研究所的 Ravi Subrahmanyan 正在制造一個(gè)小的球形天線，叫做 SARAS 2。他和他的團(tuán)隊(duì)將它運(yùn)到了青藏高原上的一個(gè)觀測(cè)站，現(xiàn)在正在試著將它放在湖中央的一個(gè)木筏上。由于下面是活水，“就能保證下方是一個(gè)均勻的介質(zhì)。”Subrahmanyan 說。和放在土壤上相比，這會(huì)讓天線收到的信號(hào)更容易理解。

　　南非夸祖魯-納塔爾大學(xué)的物理學(xué)家 Cynthia Chiang 和她的同事則走得更遠(yuǎn)——都快走到南極洲了。她們到偏遠(yuǎn)的馬里恩島上設(shè)置了探測(cè)宇宙黎明的實(shí)驗(yàn)，稱為馬里恩探測(cè)高紅移無線強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)（Probing Radio Intensity at High-Z from Marion）。目前在加拿大麥吉爾大學(xué)任職的 Chiang 還會(huì)去一個(gè)新站點(diǎn)——加拿大北極圈內(nèi)的阿克塞爾海伯格島。那里無線干擾較少，團(tuán)隊(duì)希望能夠檢測(cè)到低達(dá) 30 MHz 的頻率，這樣他們就能探測(cè)到黑暗時(shí)代谷。

　　在如此低的頻率下，上方的大氣層就成為了觀測(cè)的嚴(yán)重阻礙。地球上最好的觀測(cè)地點(diǎn)可能是冰穹C——南極洲的一個(gè)高海拔站點(diǎn)，Greenhill 說。在那里，極光——主要的干擾源——會(huì)在地平線以下。另外一些人把目光投向了太空，或是月球的背面。“那是內(nèi)太陽(yáng)系里唯一的一個(gè)無線靜默的地點(diǎn)。”科羅拉多大學(xué)博爾德分校的天體物理學(xué)家 Jack Burns 說。他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)正在制作提案，計(jì)劃在月球軌道上放置一臺(tái)簡(jiǎn)易望遠(yuǎn)鏡，以及利用機(jī)器人月球車在月球表面鋪設(shè)一個(gè)陣列。

　　還有一些更為傳統(tǒng)的技術(shù)也對(duì)宇宙最早的十億年發(fā)起了探索嘗試，并探測(cè)到了幾個(gè)星系和類星體，這是由黑洞產(chǎn)生的“燈塔”——宇宙中最亮的現(xiàn)象之一。未來的儀器，特別是 NASA 預(yù)定于 2021 年發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，會(huì)帶來更多這類發(fā)現(xiàn)。但是在可以預(yù)見的未來，傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡只能看到一些最亮的物體，因此無法對(duì)天空進(jìn)行任何全面的搜索。

　　很多宇宙學(xué)家的終極夢(mèng)想是繪制一幅氫的三維圖像，其中不僅包含 EOR 時(shí)期，還可以追溯到黑暗時(shí)代。這能涵蓋很大一片區(qū)域：由于宇宙膨脹，最早的十億年宇宙占據(jù)了當(dāng)前可觀測(cè)宇宙體積的 80%。至今為止，最好的三維星系探測(cè)項(xiàng)目——大多會(huì)覆蓋距離更近、更亮的天體——也只為不到1% 的宇宙繪出了詳圖，麻省理工學(xué)院的宇宙學(xué)家 Max Tegmark 說。Loeb 和 Tegmark 等人計(jì)算得出，EOR 之前氫密度的變化包含了遠(yuǎn)多于 CMB 的信息量^3，4，而后者至今仍然是測(cè)量宇宙主要特征——包括宇宙壽命、暗物質(zhì)含量及其幾何特性——的黃金標(biāo)準(zhǔn)。

　　為那么早的氫繪圖將會(huì)是一項(xiàng)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。巴塞羅那大學(xué)的宇宙學(xué)家 Jordi Miralda-Escudé說，以目前的技術(shù)水平，要完成這一挑戰(zhàn)簡(jiǎn)直就像是“白日做夢(mèng)”。

　　但是如果真能繪制出這樣的圖譜，收益會(huì)是巨大的，Loeb 說。“現(xiàn)在，21 厘米信號(hào)提供了關(guān)于宇宙我們可能得到的最大的數(shù)據(jù)集。”

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的婴儿宇宙是啥样？21厘米信号揭开早期宇宙的秘密的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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