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宇宙如何從黑暗走向光明？暗物質(zhì)是“冷”還是“溫”？宇宙在最初的10億年經(jīng)歷了什么？這對(duì)于理解宇宙的奧秘非常重要。然而，由于宇宙的最初演化階段是一片黑暗的，要想探測(cè)到這個(gè)時(shí)期的情況無比困難，現(xiàn)有的光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡都無能為力。那用什么來進(jìn)行探測(cè)呢？氫原子的21厘米譜線幾乎是目前已知的唯一的直接探測(cè)手段。利用它，科學(xué)家可以探索宇宙最古老的樣子，拓展人類對(duì)宇宙的認(rèn)知。

【資料圖】

1.最初10億年，宇宙如何從黑暗走向光明

宇宙如何從黑暗走向光明？這對(duì)于深刻認(rèn)識(shí)星系和宇宙結(jié)構(gòu)的形成和演化具有重要意義。

宇宙在年齡為38萬年的時(shí)候，進(jìn)入了“黑暗時(shí)代”。宇宙中除了來自宇宙微波背景輻射（CMB）的光子之外，沒有其他發(fā)光天體。有的只是一片幾乎均勻的暗物質(zhì)和原子氣體，其中氣體以氫原子為主，氫約占四分之三質(zhì)量，氦約占四分之一。

“黑暗時(shí)代”持續(xù)了大約一億年左右。在這寂寞的一億年里，暗物質(zhì)在引力的作用下開始形成暗暈團(tuán)塊，原子物質(zhì)也落入暗暈的引力勢(shì)阱中進(jìn)一步結(jié)團(tuán)，最終最早的一批星系在暗暈中心誕生。

“宇宙黎明”開始了，星系的光開始照亮宇宙。

隨著星系以及星系中的恒星和黑洞形成，恒星的紫外光子溢出星系，逐步電離星系際介質(zhì)中的氫原子，同時(shí)恒星和黑洞產(chǎn)生的X射線也開始對(duì)星系際介質(zhì)進(jìn)行加熱。最終，在宇宙年齡接近10億年的時(shí)候，宇宙星系際介質(zhì)中的氫原子幾乎被完全電離。這一氫原子被發(fā)光天體再次電離的過程稱為“宇宙再電離”。

那用什么來探測(cè)宇宙最初的10億年呢？由于宇宙的最初演化階段是一片黑暗的，光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡無能為力，要想探測(cè)到這個(gè)時(shí)期無比困難。事實(shí)上，宇宙第一代發(fā)光天體重新照亮宇宙的過程從未被人類有效探測(cè)到過。

目前，要想探測(cè)宇宙被第一代星系照亮的過程，氫原子的21厘米譜線幾乎是唯一的直接探測(cè)手段。利用這個(gè)工具，可以探索宇宙最古老的樣子，揭秘宇宙如何從黑暗走向光明。

氫原子的21厘米譜線又是什么呢？

氫原子可以在射電波段吸收或輻射光子，對(duì)應(yīng)光子的波長(zhǎng)約為21厘米，因此該譜線通常被稱為“21厘米譜線”。簡(jiǎn)單來講，在“黑暗時(shí)代”和“宇宙黎明”，氫原子氣體比宇宙微波背景更冷，它們會(huì)從微波背景中吸收21厘米光子；在“宇宙再電離”時(shí)期，氣體被加熱，氫原子會(huì)發(fā)射21厘米信號(hào)。因此，如果以CMB光子為背景光源，我們就可以對(duì)這些21厘米譜線的信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。這些21厘米譜線吸收和發(fā)射信號(hào)會(huì)幫助我們理解宇宙的早期演化歷史。

早期宇宙中氫原子的21厘米輻射的波長(zhǎng)會(huì)隨著宇宙的膨脹被拉伸得更長(zhǎng)。例如，“宇宙再電離”時(shí)期的21厘米信號(hào)的波長(zhǎng)在今天已經(jīng)被拉伸到1.5~2.3米；“黑暗時(shí)代”對(duì)應(yīng)的21厘米信號(hào)波長(zhǎng)已在6.5米以上。因此，我們需要用低頻射電天線來接收這些信號(hào)。

在“宇宙再電離”之后的時(shí)代，星系際介質(zhì)中幾乎已沒有中性氫了，但宇宙中仍然存在大量的中性氫原子，它們都藏身于星系之中。在現(xiàn)代宇宙中，星系中的中性氫仍在不斷地輻射21厘米譜線信號(hào)。如果可以用射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)這些信號(hào)，那么就可以用21厘米譜線信號(hào)追蹤星系。從宇宙學(xué)的角度來看，就有了一個(gè)利用射電手段測(cè)量宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的方法。

中性氫原子的21厘米譜線為我們探索宇宙提供了巨大的機(jī)遇。首先，為我們打開了觀測(cè)宇宙的新窗口，讓我們能夠利用氫原子的21厘米譜線作為信號(hào)在射電波段對(duì)宇宙演化進(jìn)行探測(cè)。其次，由于其在靜止系波長(zhǎng)（或頻率）是固定的，波長(zhǎng)的拉長(zhǎng)程度自動(dòng)就給出了源的紅移，因此利用這種譜線巡天可以有效對(duì)宇宙的演化進(jìn)行斷層掃描。再次，理論上可以利用21厘米譜線對(duì)CMB形成以后的整個(gè)宇宙演化歷史進(jìn)行探索。

也就是說，在早期宇宙探索中，以CMB光子為背景光源，可以做兩種21厘米譜線信號(hào)的觀測(cè)，一個(gè)是全天平均頻譜測(cè)量，一個(gè)是斷層掃描測(cè)量。

這兩種觀測(cè)方式是最主流的21厘米譜線觀測(cè)方式。當(dāng)前的一些21厘米低頻探測(cè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)開始以這兩種方式進(jìn)行觀測(cè)，而且得到了一些初步的觀測(cè)數(shù)據(jù)。正在建設(shè)中的“平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡”（SKA）也準(zhǔn)備以這樣的方式開始對(duì)“宇宙黎明”和“宇宙再電離”進(jìn)行探測(cè)。

2.暗物質(zhì)是“冷”還是“溫”？宇宙小尺度測(cè)量是關(guān)鍵

宇宙的第一代星系在暗物質(zhì)暈中形成。利用21厘米譜線觀測(cè)，或許還可以幫助回答暗物質(zhì)是“冷”還是“溫”這一關(guān)鍵問題。

根據(jù)宇宙學(xué)的觀測(cè)，構(gòu)成我們世界的重子物質(zhì)（原子物質(zhì)）只占宇宙中總能量的5%，而暗物質(zhì)則占了27%。暗物質(zhì)的本質(zhì)，是當(dāng)前基礎(chǔ)科學(xué)中最重大的科學(xué)問題之一。在當(dāng)前的宇宙學(xué)中，科學(xué)家提出三種有關(guān)暗物質(zhì)的理論模型——冷暗物質(zhì)模型、熱暗物質(zhì)模型和溫暗物質(zhì)模型。

宇宙在“嬰兒”時(shí)期非常熾熱，各種粒子頻繁碰撞，處于“熱浴”之中。暗物質(zhì)在宇宙“嬰兒”時(shí)期也處于“熱浴”之中，但它們的碰撞截面非常小，隨著宇宙膨脹，溫度快速下降，暗物質(zhì)很快就不再參與碰撞。

如果暗物質(zhì)退出碰撞時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度比較慢，無法達(dá)到光速，這就是冷暗物質(zhì)模型。如果其運(yùn)動(dòng)速度接近光速，就是熱暗物質(zhì)模型。由于熱暗物質(zhì)模型無法合理解釋宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成，因此冷暗物質(zhì)模型成為主流模型。

但冷暗物質(zhì)模型卻無法很好地解釋一些星系尺度上的問題——在冷暗物質(zhì)模型中，星系的密度輪廓在星系中心形成陡峭的尖峰，而這與實(shí)際觀測(cè)明顯不符；在冷暗物質(zhì)模型中，大型星系周圍存在大量的“衛(wèi)星星系”，而在實(shí)測(cè)中看到的衛(wèi)星星系數(shù)量與之相比要少得多。

面對(duì)這樣的情況，溫暗物質(zhì)模型應(yīng)運(yùn)而生。在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成上，它也可以很好地解釋宇宙學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于運(yùn)動(dòng)速度快得多，相比于冷暗物質(zhì)模型，溫暗物質(zhì)模型可以在一定程度上“抹平”一些小尺度結(jié)構(gòu)，從而彌補(bǔ)冷暗物質(zhì)模型的不足。

但暗物質(zhì)到底是“冷”還是“溫”？要想弄清楚這一點(diǎn)，關(guān)鍵是要精確測(cè)量宇宙小尺度上的結(jié)構(gòu)，可這是極其困難的。目前只有少數(shù)幾種觀測(cè)方法——如強(qiáng)引力透鏡觀測(cè)、賴曼—阿爾法森林觀測(cè)、銀河系衛(wèi)星星系觀測(cè)等，不過這些方法也都有局限性，目前尚不能從根本上解答問題。

不過，還有一種有趣的探測(cè)方法——“21厘米森林”觀測(cè)。當(dāng)背景源為射電噪類星體、伽馬射線暴的射電余暉等高紅移射電亮的點(diǎn)源時(shí)，它們發(fā)出的光被其路徑上更冷的中性氫原子氣體云團(tuán)在21厘米波長(zhǎng)上吸收，那么在源的光譜上就會(huì)形成一系列密集的21厘米吸收線，這些森林狀的吸收線被形象地稱為“21厘米森林”。它對(duì)于小暗暈的尺度很敏感，提供了在宇宙黎明時(shí)期探測(cè)小至幾千秒差距尺度的獨(dú)一無二的手段。

如果能夠探測(cè)到這樣的21厘米吸收線，那么通過對(duì)吸收暗線的計(jì)數(shù)，就可以對(duì)暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量進(jìn)行限制，從而回答暗物質(zhì)到底是冷還是溫這一基本問題。

與此同時(shí)，“21厘米森林”信號(hào)隨氣體溫度升高而減弱。實(shí)際上，宇宙早期的加熱歷史也是天體物理和宇宙學(xué)中一個(gè)基本且未解決的問題，它與第一代星系的形成有直接的聯(lián)系。如果“21厘米森林”信號(hào)是可以被探測(cè)到的，那么它本身也會(huì)成為宇宙加熱歷史的絕佳探針。

然而，早期宇宙結(jié)構(gòu)形成的加熱效應(yīng)會(huì)輕易抑制“21厘米森林”信號(hào)，使探測(cè)變得非常具有挑戰(zhàn)性——信號(hào)對(duì)溫度很敏感，一旦加熱比較嚴(yán)重，信號(hào)就會(huì)很容易被埋葬到噪聲中，以致于很難測(cè)到。

更棘手的是，暗物質(zhì)的性質(zhì)和“宇宙黎明”的加熱過程同時(shí)影響信號(hào)，二者的效應(yīng)難以區(qū)分。因此，我們面對(duì)著雙重的難題，一是弱信號(hào)如何提取的問題，二是暗物質(zhì)效應(yīng)與宇宙加熱效應(yīng)難以區(qū)分的問題。

該如何來破解這些技術(shù)難題呢？有科學(xué)家提出用增加觀測(cè)時(shí)間的方法來解決弱信號(hào)提取問題。這是因?yàn)椋瑢?duì)于明亮的高紅移類星體，觀測(cè)時(shí)間增加到1000小時(shí)，非常弱的信號(hào)也有可能被提取出來。

即便有諸多優(yōu)點(diǎn)和不可替代性，“21厘米森林”也是一個(gè)非常冷門的宇宙學(xué)探針。現(xiàn)實(shí)中根本不可能有任何射電望遠(yuǎn)鏡會(huì)給這樣一個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目如此多的觀測(cè)時(shí)間。這也是為何這一方法被提出20年來還沒有付諸實(shí)施的主要原因。

3.一石二鳥，我國(guó)科學(xué)家提出“21厘米森林”觀測(cè)新方法

不過，東北大學(xué)和國(guó)家天文臺(tái)的聯(lián)合研究組最近在《自然-天文》發(fā)表了一項(xiàng)重要成果，解決了“21厘米森林”方法面對(duì)的難題，使得這項(xiàng)觀測(cè)有潛力同時(shí)測(cè)量暗物質(zhì)粒子質(zhì)量和宇宙黎明的加熱歷史，從而幫助闡明暗物質(zhì)的本質(zhì)和宇宙第一批星系的性質(zhì)。

這項(xiàng)研究提出了一個(gè)新穎的統(tǒng)計(jì)解決方案，通過測(cè)量“21厘米森林”的一維功率譜來同時(shí)解決弱信號(hào)提取問題和簡(jiǎn)并問題。

在頻率空間中，宇宙加熱很容易使信號(hào)幅度降低而被埋葬到噪聲中難以探測(cè)。但是，信號(hào)和噪聲的尺度依賴性是完全不同的，噪聲在不同尺度上沒什么差別，而信號(hào)代表著不同尺度的結(jié)團(tuán)情況，二者區(qū)別明顯。

因此，如果實(shí)施統(tǒng)計(jì)分析，把時(shí)間頻率測(cè)量轉(zhuǎn)換為空間頻率測(cè)量，那么在新的空間中信噪比即可顯著提升，而信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征也可隨之浮現(xiàn)。

特別是暗物質(zhì)效應(yīng)和宇宙加熱效應(yīng)對(duì)“21厘米森林”統(tǒng)計(jì)特征的影響是完全不同的，如此一來，就可以通過該分析同時(shí)測(cè)量這兩種效應(yīng)。

我們借助高動(dòng)態(tài)范圍的跨尺度建模，模擬了“21厘米森林”的觀測(cè)，從而進(jìn)一步利用模擬數(shù)據(jù)開展貼近實(shí)際觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析研究。假設(shè)一個(gè)合理的觀測(cè)時(shí)間，例如100小時(shí)，將觀測(cè)時(shí)間分成兩半，兩次測(cè)量的結(jié)果做交叉相關(guān)。對(duì)于信號(hào)來說，這就是自相關(guān)測(cè)量，而對(duì)于噪聲來說，交叉相關(guān)將可對(duì)其進(jìn)行抑制。這樣的測(cè)量方法極大地提升了探測(cè)的靈敏度。

模擬測(cè)量的結(jié)果表明，通過一維功率譜的幅度和形狀，將可以同時(shí)對(duì)溫暗物質(zhì)和宇宙加熱效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。在宇宙加熱程度不高的情況下，第一階段的SKA低頻陣將可以很好地測(cè)量到一維功率譜，而且有能力探測(cè)至較小的尺度；在宇宙加熱程度較高的情況下，如果有多個(gè)背景射電源可用，則用第二階段的SKA低頻陣仍可實(shí)現(xiàn)較好的探測(cè)。

測(cè)量“21厘米森林”的一維功率譜不僅可提高靈敏度，從而使探測(cè)成為可能，還提供了區(qū)分暗物質(zhì)效應(yīng)和早期宇宙加熱效應(yīng)的方法——對(duì)于暗物質(zhì)粒子質(zhì)量的限制，“21厘米森林”在高紅移處提供了一種可行的探測(cè)手段，探索了其他觀測(cè)無法觸及的尺度和紅移范圍。通過測(cè)量宇宙加熱水平，“21厘米森林”提供了限制第一代星系和第一批黑洞特性的方法，從而幫助揭示宇宙中第一批發(fā)光天體的性質(zhì)。

這項(xiàng)研究清晰地展示了“21厘米森林”的一維功率譜確實(shí)可以成為一石二鳥的宇宙學(xué)探針，幫助推進(jìn)我們對(duì)早期宇宙的理解，并為窺探暗物質(zhì)和第一代星系的奧秘提供了極有前景的新途徑。

由于“21厘米森林”探測(cè)的實(shí)現(xiàn)與高紅移背景射電源的觀測(cè)密切相關(guān)，因此下一步是繼續(xù)發(fā)展和建設(shè)大型射電望遠(yuǎn)鏡（如SKA），以提供足夠的靈敏度和角分辨率來觀測(cè)高紅移的射電亮源。

這一方法的發(fā)展對(duì)于解開暗物質(zhì)和宇宙早期天體形成的奧秘具有重要意義，通過更深入的觀測(cè)和分析，我們有望在不久的將來獲得關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)和早期星系形成的更多見解，進(jìn)一步拓展對(duì)宇宙的認(rèn)知。

（作者：徐怡冬 張?chǎng)危謩e系中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員、東北大學(xué)教授）