陈学雷:出人意料的宇宙黎明之冷

  演化历史

  撰文 | 陈学雷(中国科学院国家天文台)

  责编 | 吕浩然

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  在最近一期的《自然》杂志上,刊登了一篇题目平淡且低调的论文:《天空平均谱中一个中心位于78兆赫的吸收轮廓》[1]。然而对于宇宙学家而言,这却不啻是一声惊雷:因为这可能正是宇宙黑暗时代结束、第一代恒星形成的宇宙黎明所产生的。

  按照现在已被广泛接受的宇宙学理论,宇宙在大爆炸(Big Bang)结束后进入了黑暗时代,这时的宇宙中还没有恒星、星系等,物质几乎是均匀分布的,只有一些微小的不均匀密度扰动。随后,在万有引力的作用下,这些扰动逐渐增长,变得越来越不均匀。最终,其中密度特别高的地方会坍缩下去,形成第一代恒星,这也标志着黑暗时代的结束,宇宙黎明开始。

。在黎明前的宇宙中,普通物质几乎完全由大爆炸中产生的氢、氦原子组成,这两种原子都处在它们的基态能级上。不过,氢原子的基态能级其实被“超精细结构”分裂成两个:由于电子与氢原子核都有沿自旋方向的磁矩,因此取决于电子与原子核的自旋是平行还是反平行,它们的能量也稍有不同。

  如果电子自旋翻转,可以发射或吸收一个相应的光子,其波长是21cm,因此天文上习惯称为21cm辐射,这是射电天文史上第一个被预言和探测到的谱线。如果从高能级跃迁到低能级,就会发射一个21cm光子,反之低能级的原子吸收一个21cm波长的光子,就会跃迁到高能级。

  宇宙中处处弥漫着宇宙微波背景辐射的光子,其中有许多光子的波长是21cm,因此这两个方向(由高向低、由低向高)的跃迁都在不断发生。宇宙黑暗时代和黎明时代的大量氢原子可以发射或者吸收21cm辐射形成谱线,当然经过宇宙红移(遥远的星系发出的光谱线的波长会向长波长方向偏移),今天它们的波长已变长而不再是21cm,但根据其来源仍称之为21cm辐射。不同的波长(或者说频率)对应的是不同的红移,也就是离今天的我们不同距离、不同时间的宇宙。比如,如果我们观测的频率是78MHz,它的波长是21cm的18.2倍,这就对应红移17.2的宇宙。

  图2. 前景减除示意图(Wang et. al. 2006)

  但是,虽然理论上21cm辐射能提供宇宙的大量信息,但实验中观测是十分困难的。这里的主要挑战是,有许多其它天体会产生比它强得多的辐射,这些被称为前景辐射。例如,银河系中的宇宙线电子会产生强烈的同步辐射,这种辐射强度比宇宙21cm信号强几十万倍,所以宇宙21cm辐射被淹没在前景辐射中,要分辨出它就如同要在白天的强烈阳光中看到星星一样困难。

  但是,天文学家还是提出了探测这些微弱21cm信号的思路,主要是利用宇宙21cm信号与前景辐射在频谱上的差异。前景信号随着频率的改变会光滑的变化,而21cm信号每个频率都对应不同的红移,其信号会随机变化。因此,原则上只要把频谱上光滑的信号减掉,就可以得到21cm信号。但是,由于前景辐射强度远远大于21cm信号,只要减错一点点,就无法看到21cm信号了,所以这种实验难度非常大。

  本世纪初开始到现在,各国陆续建造了多个由许多天线构成的射电阵列望远镜进行宇宙21cm信号的探测,包括荷兰的LOFAR、澳大利亚的MWA、美国的LWA、美国与南非联合的PAPER和HERA、加拿大的CHIME等,我国也建造了21CMA阵和天籁阵分别进行高红移和中红移的21cm观测实验。此外,包括我国在内的多个国家也准备联合研制超级巨大的平方千米阵(SKA)望远镜。

  以上这些天线阵每个都包括几十到几百个干涉单元,每个单元又可能包括多个天线。这些天线阵试图观测宇宙三维空间中不同方向、不同红移的21cm辐射强度变化,称之为21cm层析观测。这些实验难度都很大,数据处理也非常复杂,迄今为止虽取得了一些初步进展,但都还尚未探测到21cm信号。当然,研究者们仍在不懈努力。目前看来,今后几年内有希望取得21cm信号探测的突破。

  就在这许多阵列开始筹建的同时,美国MIT(麻省理工学院)的Alan Rogers教授和他的博士后Judd Bowman (后来成为Arizona State Univerisity的教授)则决定另辟蹊径,尝试用单天线进行21cm探测。这种设备非常简单,我们熟悉的收音机其实就是一个单天线加接收机。你可能会有疑问:由成千上万个天线组成的阵列尚且未能探测到宇宙21cm信号,单天线又怎么可能呢?