通过强大的望远镜窥视天空，在银河系的眩光之外，你可以分辨出遥远星系的微弱光芒。这些星系聚集在一起形成密集的星系团，星系团之间由细丝状结构连接，并被数亿光年宽的巨大空洞分隔开。自 20 世纪 80 年代以来，科学家们已经观测了数百万个星系，以便更详细地绘制这张“宇宙网”的地图，从而探索我们宇宙的历史。
但这种大规模结构还有更多肉眼看不到的东西。氢原子自然会发出波长为 21 厘米的特征射电波，而且由于氢气云倾向于在引力作用下聚集在星系周围，因此这种射电辐射的模式反映了物质的潜在宇宙分布。在最近的预印本论文中，加拿大氢强度 mapping 实验 (CHIME) 的射电天文学家报告了他们首次探测到这些指示性模式。
这项结果是利用氢的射电辐射绘制宇宙网完整地图的重要第一步，尽管 CHIME 的测量精度尚未达到最先进的红外和光学巡天绘制大规模结构的水平。“这还不是‘圣杯’般的结果，但对于 CHIME 以及该领域来说，这是一个里程碑，”美国宇航局喷气推进实验室的研究科学家张子卿说，他没有参与这项工作。
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未知的空间
在宇宙的“黑暗时代”，即质子和电子在大爆炸后首次结合形成原子后的数亿年里，没有恒星存在来照亮当时弥漫在太空中的所有氢气。随着引力与宇宙膨胀竞争，气体在某些地方变得更稠密，而在另一些地方变得更稀薄，最稠密的区域最终孕育了发光的恒星、星系和星系团。
到 20 世纪 90 年代，宇宙学家认为他们已经了解了这个故事的大致轮廓。因此，他们在 1998 年震惊地发现，在经历了 80 多亿年的平稳扩张后，宇宙膨胀在大约 50 亿年前开始神秘地加速。对于导致这种加速的“暗能量”，人们几乎一无所知；一个重要的开放性问题是，它是不可变的“宇宙常数”，还是强度随时间变化的动态场。
宇宙网的地图可能指向答案。来自更遥远星系的光到达我们这里需要更长的时间，宇宙的膨胀将这种古老光线的波长拉伸到可见光谱的红色端：星系越远，宇宙红移越大。精确的红移测量，基于星系中大量存在的原子的独特光谱指纹，因此使天文学家能够构建宇宙网的三维地图。这些地图编码了关于宇宙膨胀历史和大规模结构演化的丰富信息。
最近完成的星系巡天，称为扩展重子振荡光谱巡天 (eBOSS)，编目了 50 万个星系以及数量相当的类星体的位置和红移——类星体是超大质量黑洞驱动的大星系核心中极其明亮的区域。eBOSS 团队随后使用该目录构建了一张地图，该地图覆盖了大约 15% 的天空，并追溯到 110 多亿年前。更雄心勃勃的后续巡天正在进行中。
新的希望
然而，尽管星系巡天取得了成功，但它们也有局限性。望远镜必须首先扫描天空以选择要纳入巡天的星系，随后对单个星系红移的测量往往非常耗时。最先进的巡天还需要昂贵的光谱仪，其中包含数千个移动部件。
氢强度 mapping，CHIME 采用的策略，可能被证明是一种更便宜、更快速的宇宙 mapping 方式。来自遥远气体云的 21 厘米射电波会像可见光一样发生红移。但射电望远镜可以同时测量天空不同波长射电辐射强度的变化，使天文学家无需单独的红移测量即可构建三维地图。专用强度 mapping 望远镜也很便宜，“比光学或红外中同类光谱仪器便宜一个数量级，”南非夸祖鲁-纳塔尔大学的天文学教授 Kavilan Moodley 说，他与 CHIME 没有隶属关系。
强度 mapping 面临着自身的挑战。主要困难在于宇宙学信号很小，而银河系本身就是一个强大的射电源。“你试图在它后面看到一些比它暗淡 1000 倍或 10000 倍的东西，”Moodley 说。要梳理出宇宙网的印记，需要精确的望远镜建模和仔细的分析。
CHIME 是一排四个没有移动部件的射电望远镜，每个都像用鸡丝网制成的单板滑雪半管。随着地球的自转，望远镜扫描出整个北半球的低分辨率地图。生成的 3D 地图由“体素”而不是“像素”组成，每个体素的边长约为 3000 万光年，深度为 1000 万光年，通常填充着数百个星系。这种粗糙的空间分辨率是一个特点，而不是一个缺陷：将每个体素中所有氢的射电辐射加起来，天文学家就可以拾取他们原本看不到的微弱信号。而且由于暗能量的影响在非常大的距离尺度上最为明显，因此单个体素内的结构与这些研究无关。
在 2009 年和 2010 年，张子卿和其他天文学家使用澳大利亚和西弗吉尼亚州的射电望远镜，在氢的 21 厘米辐射中发现了宇宙网的最初痕迹。但这些望远镜是 100 米的碟形天线，只能从天空的一小部分区域收集光线，因此它们无法有效地 mapping 更完整视图所需的大片区域。这些设施也很抢手，只有一小部分观测可以用于 21 厘米观测。新的 CHIME 结果来自 2019 年收集的数据，是第一批来自专门设计用于 mapping 宇宙网的射电望远镜的结果。这使 CHIME 研究人员能够更好地控制系统误差，而且他们不必与其他天文学家竞争望远镜时间。该项目的数据可以追溯到 90 亿年前，比之前的射电测量深入过去 10 亿年。
第一个信号——但不是最后一个
在处理完数据以消除来自银河系和地球来源的前景辐射后，研究人员使用了一种称为“堆叠”的技术来研究 CHIME 数据与 eBOSS 巡天星系地图之间的相关性。他们看到了一个明确的信号：更强射电辐射的区域与已知星系和类星体的位置重叠。“当你有第一次探测时，这非常令人鼓舞，”麦吉尔大学研究科学家、CHIME 团队分析负责人之一 Seth Siegel 说。他说，这一结果是一个重要的里程碑，因为它为 CHIME 研究人员提供了一个基线，他们可以从中寻求进一步的改进。
该团队目前正在使用更新的 CHIME 数据构建独立的地图，无需 eBOSS 目录的帮助。然后，它计划在更长距离尺度上搜索氢气分布的相关性，在这种情况下，将信号与前景辐射分离变得尤为具有挑战性。这种相关性是声波（宇宙学家称之为“重子声波振荡”）的遗迹，这些声波在充满早期宇宙的炽热原始等离子体中荡漾。这些振荡的特征尺度——在当今宇宙中约为 5 亿光年——已经使用其他方法精确测量。因此，重子声波振荡可以作为一种标尺，该团队可以使用它来测量其地图中的其他距离，以寻找与标准宇宙学的偏差，例如暗能量强度的变化。
与 Siegel 共同领导分析的英属哥伦比亚大学研究科学家 Richard Shaw 强调，这仅仅是 CHIME 的开始。“我们已经有很多数据，而且还有更多数据，”他说。