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，拓展人類對宇宙的認(rèn)知。
【資料圖】
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？這對于深刻認(rèn)識星系和宇宙結(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到過。
目前，要想探測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，對應(yīng)光子的波長約為21厘米，因此該譜線通常被稱為“21厘米譜線”。簡單來講，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，氫原子會發(fā)射21厘米信號。因此，如果以CMB光子為背景光源，我們就可以對這些21厘米譜線的信號進(jìn)行探測。這些21厘米譜線吸收和發(fā)射信號會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厘米輻射的波長會隨著宇宙的膨脹被拉伸得更長。例如，“宇宙再電離”時(shí)期的21厘米信號的波長在今天已經(jīng)被拉伸到1.5~2.3米；“黑暗時(shí)代”對應(yīng)的21厘米信號波長已在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。
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。如果可以用射電望遠(yuǎn)鏡探測這些信號，那么就可以用21厘米譜線信號追蹤星系。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厘米譜線作為信號在射電波段對宇宙演化進(jìn)行探測。其次，由于其在靜止系波長（或頻率）是固定的，波長的拉長程度自動(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厘米譜線信號的觀測，一個(gè)是全天平均頻譜測量，一個(gè)是斷層掃描測量。
這兩種觀測方式是最主流的21厘米譜線觀測方式。當(dāng)前的一些21厘米低頻探測實(shí)驗(yàn)已經(jīng)開始以這兩種方式進(jìn)行觀測，而且得到了一些初步的觀測數(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“宇宙黎明”和“宇宙再電離”進(jìn)行探測。
暗物質(zhì)是“冷”還是“溫”？宇宙小尺度測量是關(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，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，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)測中看到的衛(wèi)星星系數(shù)量與之相比要少得多。
面對這樣的情況，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)幾種觀測方法——如強(qiáng)引力透鏡觀測、賴曼—阿爾法森林觀測、銀河系衛(wèi)星星系觀測等，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方法——“21厘米森林”觀測。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厘米波長上吸收，那么在源的光譜上就會形成一系列密集的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”。它對于小暗暈的尺度很敏感，提供了在宇宙黎明時(shí)期探測小至幾千秒差距尺度的獨(dú)一無二的手段。
如果能夠探測到這樣的21厘米吸收線，那么通過對吸收暗線的計(jì)數(shù)，就可以對暗物質(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”信號是可以被探測到的，那么它本身也會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)會輕易抑制“21厘米森林”信號，使探測變得非常具有挑戰(zhàn)性——信號對溫度很敏感，一旦加熱比較嚴(yán)重，信號就會很容易被埋葬到噪聲中，以致于很難測到。
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，二者的效應(yīng)難以區(qū)分。因此，我們面對著雙重的難題，一是弱信號如何提取的問題，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)家提出用增加觀測時(shí)間的方法來解決弱信號提取問題。這是因?yàn)?，對于明亮的高紅移類星體，觀測時(shí)間增加到1000小時(shí)，非常弱的信號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)鏡會給這樣一個(gè)觀測項(xiàng)目如此多的觀測時(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。
一石二鳥，我國科學(xué)家提出“21厘米森林”觀測新方法
不過，東北大學(xué)和國家天文臺的聯(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”方法面對的難題，使得這項(xiàng)觀測有潛力同時(shí)測量暗物質(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，通過測量“21厘米森林”的一維功率譜來同時(shí)解決弱信號提取問題和簡并問題。
在頻率空間中，宇宙加熱很容易使信號幅度降低而被埋葬到噪聲中難以探測。但是，信號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)間頻率測量轉(zhuǎn)換為空間頻率測量，那么在新的空間中信噪比即可顯著提升，而信號的統(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“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，從而進(jìn)一步利用模擬數(shù)據(jù)開展貼近實(shí)際觀測的數(shù)據(jù)分析研究。假設(shè)一個(gè)合理的觀測時(shí)間，例如100小時(shí)，將觀測時(shí)間分成兩半，兩次測量的結(jié)果做交叉相關(guān)。對于信號來說，這就是自相關(guān)測量，而對于噪聲來說，交叉相關(guān)將可對其進(jìn)行抑制。這樣的測量方法極大地提升了探測的靈敏度。
模擬測量的結(jié)果表明，通過一維功率譜的幅度和形狀，將可以同時(shí)對溫暗物質(zhì)和宇宙加熱效應(yīng)進(jìn)行測量。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量到一維功率譜，而且有能力探測至較小的尺度；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。
測量“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手段，探索了其他觀測無法觸及的尺度和紅移范圍。通過測量宇宙加熱水平，“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”探測的實(shí)現(xiàn)與高紅移背景射電源的觀測密切相關(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高紅移的射電亮源。
這一方法的發(fā)展對于解開暗物質(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)一步拓展對宇宙的認(rèn)知。
（作者：徐怡冬 張鑫，分別系中國科學(xué)院國家天文臺副研究員、東北大學(xué)教授）
（原標(biāo)題：“刺探”宇宙最初10億年）
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