在最初,宇宙是一个充满能量但没有形式的虚空。这种情况持续了数百万年——确切的时间仍然是宇宙学的一个主要谜团——直到第一批恒星从物质的迷雾中凝结出来,并发出蓝色的核光。
望远镜就像时间机器:它们在太空中看得越远,就越能窥视过去。但是,即使是最好的光学望远镜也无法分辨宇宙在不到十亿年前的样子。在那之前,中性氢气雾笼罩着婴儿宇宙中的第一批灯塔。
不过,在中国偏远的西部乌拉太高原上正在建设的新射电天文台可能很快就会产生这个形成时期的图像——而且价格也很划算,因为这个庞大的仪器几乎完全由可以在无线电小屋买到的零件制成。尽管只需要花费300万美元,但原初结构望远镜 (PaST) 仍然是中国迄今为止在实验天文学方面的最大投资之一。该项目由中国科学院的吴翔平(Xiang-Ping Wu)于2003年启动,他与匹兹堡的卡内基梅隆大学的杰弗里·B·彼得森(Jeffrey B. Peterson)和多伦多加拿大理论天体物理研究所的彭宇力(Ue-Li Pen)共同领导。
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虽然形式上是望远镜,但PaST更应该被认为是一项实验。“我们将在明年开启后的几周内获得足够的数据来回答我们的主要问题,”彼得森说。(然而,分析这些数据可能需要数年时间。)这是因为该仪器本质上是一个巨大的、极其灵敏的电视接收器。
PaST将组合由10000个高增益天线接收到的无线电信号,这些天线排列成长度达三公里的直线。对数周期天线与数百万个用于屋顶的天线类似,每个成本仅为20美元。家用同轴电缆分配器反向安装,将来自多个天线的信号组合起来,并将它们馈送到一组320台普通的奔腾PC机中,这些PC机运行免费的Linux软件。计算机合并数据以生成一个以北极星为中心的天空10度区域的高分辨率图像。
实际上,“图像”这个词并不恰当,因为PaST将在VHF频谱的广泛范围内记录数千个同时发生的信号。科学家们正在编写软件,以筛选掉不感兴趣的信号——例如来自电视台、流星和遥远星系中心的黑洞的信号——从而揭示理论家预测埋藏在噪声中的早期宇宙的三维CAT扫描图。
当第一颗恒星闪烁时,它们的紫外光激发了周围的中性氢原子,导致气体在1420兆赫兹发出微弱的无线电信号。随着星光增强,它最终从氢原子中剥离电子,使原子电离。
但是,随着时间的推移,宇宙的膨胀拉伸了古老的无线电波,将其频率降低了与其年龄成比例的量。天文学家因此可以通过将他们的接收器“调谐”到适当的频率来看到特定时刻在空间中的位置。“这有点像考古学,”哈佛-史密森天体物理中心的亚伯拉罕·勒布说。“当我们深入挖掘时,我们可以切片宇宙,看到越来越古老的层。”
天文学家预计,PaST将揭示在大爆炸后约2亿年时,均匀明亮的中性氢雾,随着第一批恒星周围的电离氢气泡出现而变得越来越不均匀。模拟表明,这些壳随后像瑞士奶酪中的空隙一样连接起来,形成隧道。中性氢雾逐渐消散成散落的缕缕,并在最初的十亿年内永远消失,留给我们今天看到的透明空间。在这个故事变得更清晰之前,PaST或竞争对手天文台将提供更多的清晰度。要有光。