揭秘婴儿宇宙的奥秘

要了解从地球视角看到的宇宙是什么样子，可以想象一个大西瓜。我们的星系，银河系，是其中一颗种子，位于果实的中心。它周围的空间，即粉红色的果肉，点缀着无数其他的种子。这些也是星系，我们——生活在中心种子内部——可以通过望远镜观察到它们。

由于光以有限的速度传播，我们看到的其他星系是它们过去的模样。离西瓜中心最远的种子是迄今为止看到的最早的星系，可以追溯到宇宙只有现在138亿年年龄的三十分之一的时期。在这些星系之外，在西瓜皮薄薄的绿色外层，存在着比恒星时代更原始的东西。这一层代表了宇宙在仅仅38万岁时的样子，那时它仍然是亚原子粒子的温暖、发光的汤。我们了解那个时期，是因为它的光仍然在太空中涟漪——尽管它在漫长的岁月中已经拉伸了太多，以至于现在以微弱的微波辐射形式存在。

可观测宇宙中最神秘的部分是西瓜的另一层，即绿色外壳和粉红色果肉之间的部分。这代表了宇宙历史的最初十亿年。天文学家对这个时期知之甚少，只看到了一些极其明亮的星系和其他天体。

支持科学新闻事业

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。

然而，这个时期是宇宙经历最剧烈变化的时期。我们知道转变的最终产物——毕竟我们在这里——但不知道它是如何发生的。第一批恒星是如何以及何时形成的，它们看起来是什么样子？黑洞在塑造星系中扮演了什么角色？暗物质的本质是什么，它远远超过了普通物质，并被认为塑造了宇宙的大部分演化？

一支由大大小小的射电天文学项目组成的队伍，正在努力绘制这片未知的领域。天文学家有一个简单的信息来源——原子氢发射和吸收的单一、孤立的波长，原子氢是宇宙大爆炸后几乎所有普通物质的组成元素。探测这种微弱信号——氢光谱中波长为21厘米的谱线的努力，正在推动天文学家在世界上一些最偏远的地方部署越来越灵敏的观测站，包括在青藏高原湖泊上的一个孤立的浮筏和加拿大北极地区的一个岛屿。

去年，全球再电离时期特征探测实验 (EDGES)，一个位于澳大利亚内陆地区、简单得令人难以置信的天线，可能已经看到了最早的恒星周围原始氢存在的初步迹象。其他实验现在正处于达到开始绘制原始氢——以及早期宇宙——3D地图所需的灵敏度的边缘。哈佛-史密森天体物理中心 (CfA) 位于马萨诸塞州剑桥市的理论天体物理学家 Avi Loeb 说，这现在是“宇宙学的最后前沿”。它掌握着揭示一个不起眼的、均匀的粒子质量如何演变成恒星、星系和行星的关键。“这是我们创世纪故事的一部分——我们的根，”Loeb 说。

一条细线

大约在大爆炸后38万年，宇宙已经膨胀和冷却到足以使其主要由质子和电子组成的汤结合成原子。氢在当时占据了普通物质的主导地位，但它既不发射也不吸收绝大多数电磁频谱的光子。因此，它在很大程度上是不可见的。

但是氢的单个电子提供了一个例外。当电子在两个方向之间切换时，它会释放或吸收一个光子。这两个状态具有几乎相同的能量，因此光子弥补的差异非常小。因此，光子具有相对较低的电磁频率，因此波长相当长，略微超过 21 厘米。

正是这种氢信号在 20 世纪 50 年代揭示了银河系的旋涡结构。到 20 世纪 60 年代末，苏联宇宙学家 Rashid Sunyaev（现任德国加兴马克斯·普朗克天体物理研究所）是最早意识到该谱线也可用于研究原始宇宙的研究人员之一。由于宇宙膨胀的拉伸或红移，这些 21 厘米光子今天的波长将在大约 1.5 米到 20 米之间——对应于 15 到 200 兆赫 (MHz)。

Sunyaev 和他的导师，已故的 Yakov Zeldovich，曾考虑使用原始氢信号来检验一些关于星系如何形成的早期理论。但是，他告诉《自然》杂志，“当我带着这个想法去找射电天文学家时，他们说，‘Rashid，你疯了！我们永远无法观察到这个。’”

问题在于，红移到无线电频谱更深处的氢线会非常微弱，以至于似乎不可能将其从银河系和人类活动发出的无线电频率信号的嘈杂声中分离出来，包括调频广播电台和汽车的火花塞。

利用 21 厘米光子绘制早期宇宙的想法在三十年中只受到了零星的关注，但过去几年的技术进步使这项技术看起来更可行。无线电探测的基本原理保持不变；许多射电望远镜由简单的材料构成，例如塑料管道和金属丝网。但是望远镜的信号处理能力已经变得更加先进。最初为游戏和手机开发的消费电子元件现在使天文台能够以相对较少的投资处理大量数据。与此同时，理论宇宙学家一直在为 21 厘米宇宙学的前景提出更详细和更令人信服的论据。

黑暗和黎明

在大爆炸之后原子氢形成后，宇宙中唯一的光是今天到达地球的、来自所有方向的微弱长波辐射——这种信号被称为宇宙微波背景 (CMB)。大约 140 亿年前，这种大爆炸的余辉在人眼中看起来是均匀的橙色。然后天空会变红，然后慢慢变暗成漆黑一片；那里根本没有其他东西可以产生可见光，因为背景辐射的波长继续延伸到红外光谱及更远。宇宙学家将这个时期称为黑暗时代（参见“从地球视角看早期宇宙”）。

理论家们认为，随着时间的推移，演化的宇宙会在充满空间的氢中留下三个不同的印记。第一个事件始于大爆炸后大约 500 万年，当时氢变得足够冷，以至于吸收的背景辐射多于发射的辐射。今天应该可以在 CMB 光谱中检测到这个时期的证据，表现为在某个波长处的强度下降，这种特征被称为黑暗时代低谷。

大约 2 亿年后，在物质凝聚在一起足以形成第一批恒星和星系之后，出现了第二次变化。这个“宇宙黎明”将紫外线辐射释放到星系际空间，这使得那里的氢更容易吸收 21 厘米光子。因此，天文学家预计会在 CMB 光谱中看到第二个下降或低谷，波长更短；这似乎是 EDGES 检测到的信号。

在宇宙存在了 5 亿年后，氢经历了更剧烈的变化。来自恒星和星系的紫外线辐射会变得足够明亮，以至于导致宇宙中的氢发出荧光，将其变成 21 厘米光子的发光源。但是最靠近早期星系的氢吸收了太多的能量，以至于失去了电子并变暗。随着星系的成长和合并，这些黑暗的电离气泡在大约 5 亿年的时间里变得越来越大，星系之间发光的氢越来越少。即使在今天，宇宙中绝大多数的氢仍然是电离的。宇宙学家将这种转变称为再电离时期，或 EOR。

EOR 是许多正在进行或正在筹备的 21 厘米射电天文学实验的目标。希望是通过拍摄不同波长或红移的天空快照，以 3D 方式绘制其随时间演化的过程。“我们将能够制作一部完整的电影，”伦敦帝国学院的天体物理学家 Emma Chapman 说。气泡何时形成、它们的形状以及它们生长速度的细节将揭示星系是如何形成的以及它们产生的光的类型。Chapman 说，如果恒星完成了大部分再电离，那么气泡将具有整洁、规则的形状。但是，“如果有大量的黑洞，它们开始变得更大、更自由或更飘渺，”她说，因为从黑洞喷射出的喷流中的辐射比来自恒星的辐射更具能量和穿透力。

EOR 还将为当前宇宙演化的最佳模型提供前所未有的测试。尽管有大量证据表明暗物质的存在，但没有人确切地确定它是什么。来自 EOR 的信号将有助于表明暗物质是由相对迟缓或“冷”的粒子组成的（目前流行的模型），还是由更轻、更快的“暖”粒子组成的，位于英国曼彻斯特附近的平方公里阵列 (SKA) 组织的 Anna Bonaldi 说。“暗物质的确切性质是关键之一，”她说。

尽管天文学家迫切希望更多地了解 EOR，但他们现在才开始接近探测它的能力。领先的是射电望远镜阵列，它比较来自多个天线的信号，以检测来自天空中不同方向的波的强度变化。

追逐 EOR 最先进的工具之一是低频阵列 (LOFAR)，它分布在多个欧洲国家，中心位于荷兰小镇埃克斯洛附近。LOFAR 是目前世界上最大的低频射电天文台，到目前为止，它只能对气泡的大小分布进行限制，从而排除了某些极端情况，例如星系际介质特别冷的情况，荷兰格罗宁根大学的天文学家 Leon Koopmans 说，他领导着 LOFAR 的 EOR 研究。在最近一次升级之后，LOFAR 的竞争对手，位于西澳大利亚沙漠中的默奇森广域阵列 (MWA)，在即将发布的结果中进一步改进了这些限制。

研究人员表示，在短期内，测量 EOR 实际统计特性（而不是对其进行限制）的最佳机会可能在于另一项名为再电离时期氢阵列 (HERA) 的工作。该望远镜由一组 300 个抛物面天线组成，正在南非北开普省地区完成，并计划于 9 月开始采集数据。MWA 和 LOFAR 是通用的长波长天文台，而 HERA 的设计针对探测原始氢进行了优化。其紧密排列的 14 米宽天线罩覆盖 50 至 250 MHz 的波长。从理论上讲，这应该使其对宇宙黎明低谷（当星系首次开始照亮宇宙时）以及 EOR 敏感（参见“从地球视角看早期宇宙”）。

与所有此类实验一样，HERA 将不得不应对来自银河系的干扰。加州大学伯克利分校的射电天文学家、HERA 的首席研究员 Aaron Parsons 警告说，来自我们星系和其他星系的射电频率发射比来自原始宇宙的氢线强数千倍。幸运的是，银河系的发射具有平滑、可预测的光谱，可以将其减去以揭示宇宙学特征。但是，要做到这一点，射电天文学家必须确切地知道他们的仪器如何响应不同的波长，也称为其系统误差。周围环境的微小变化，例如土壤水分的增加或附近灌木的修剪，都可能产生影响——就像调频广播信号的质量可能会根据您在房间中的位置而变化一样。

Parsons 说，如果一切顺利，HERA 团队可能会在几年内获得其首批 EOR 结果。澳大利亚墨尔本大学的天体物理学家、MWA 合作组织的成员 Nichole Barry 对其机会感到兴奋：“HERA 将具有足够的灵敏度，如果他们能够控制住系统误差，那么 boom！他们可以在短时间内进行测量。”

与所有现有阵列类似，HERA 的目标是测量气泡的统计数据，而不是生成 3D 地图。天文学家对 EOR 的 3D 地图的最大希望寄托在耗资 7.85 亿美元的 SKA 上，预计 SKA 将在未来十年内上线。SKA 是有史以来最雄心勃勃的射电天文台，将分布在两个大陆，其中位于澳大利亚的一半旨在接收 50 至 350 MHz 的频率，这是与早期宇宙氢相关的频段。（另一半位于南非，将对更高的频率敏感。）

克罗马侬人宇宙学

虽然阵列变得越来越大、越来越昂贵，但另一类 21 厘米项目仍然保持简朴。许多项目，例如 EDGES，使用单个天线收集数据，旨在测量在整个可用天空范围内平均的无线电波的某些属性。

CfA 射电天文学家 Lincoln Greenhill 说，这些项目使用的天线“非常克罗马侬人”，指的是设备的原始性质。但是研究人员花费数年时间，煞费苦心地调整仪器以影响其系统误差，或者使用计算机模型来精确计算系统误差是什么。Greenhill 说，这是一种“受虐狂式的痴迷”，他领导着美国的大孔径探测黑暗时代实验 (LEDA) 项目。他经常独自前往加利福尼亚州欧文斯谷的 LEDA 天线进行各种任务。这些任务可能包括在天线下方的沙漠地面上铺设新的金属网，以充当无线电波的反射镜。

这些细微之处意味着，学界一直不愿接受 EDGES 的发现。EDGES 看到的宇宙黎明信号也出乎意料地大，这表明在大爆炸后约 2 亿年存在的氢气比理论预测的要冷得多，可能只有 4 开尔文而不是 7 开尔文。自 2018 年初发布结果以来，理论家们撰写了数十篇论文，提出了可能使气体冷却的机制，但包括 EDGES 团队在内的许多射电天文学家警告说，在学界能够接受这些实验结果之前，需要对其进行重复验证。

LEDA 现在正试图这样做，其他几个实验也在更偏远和难以到达的地方进行。印度班加罗尔拉曼研究所的 Ravi Subrahmanyan 正在研究一种称为 SARAS 2 的小型球形天线。他和他的团队将其带到了青藏高原的一个地点，他们现在正在试验将其放置在湖中央的浮筏上。Subrahmanyan 说，使用淡水，“您可以确保下方有一个均匀的介质”，与土壤上的天线相比，这可以使天线的响应更容易理解。

夸祖鲁-纳塔尔大学物理学家 Cynthia Chiang 和她的同事们走得更远——到达南极洲一半路程的偏远马里恩岛——建立他们的宇宙黎明实验，称为马里恩高红移射电强度探测 (Probing Radio Intensity at High-Z from Marion)。Chiang 现在在加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学工作，她也正在前往一个新的地点，加拿大北极地区的阿克塞尔海伯格岛。那里无线电干扰有限，该团队希望能够探测到低至 30 MHz 的频率，这可能使他们能够探测到黑暗时代低谷。

在如此低的频率下，高层大气层成为观测的严重障碍。Greenhill 说，地球上进行这些观测的最佳地点可能是南极洲的高海拔地点 Dome C。在那里，极光（主要的干扰源）将在地平线以下。但其他人则将目光投向太空，或月球背面。科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家 Jack Burns 说：“这是内太阳系中唯一无线电静默的地点。”他正在领导在月球轨道上放置一个简单的望远镜以及由机器人漫游车部署在月球表面的阵列的提案。

其他更传统的技术也已涉足宇宙历史的最初十亿年，探测到了一些星系和类星体——黑洞驱动的信标，它们是宇宙中最明亮的现象之一。未来的仪器，特别是 NASA 计划于 2021 年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜，将带来更多这些发现。但在可预见的未来，传统望远镜将只能发现一些非常明亮的天体，因此将无法进行任何形式的详尽天空巡天。

许多宇宙学家的终极梦想是绘制氢的详细 3D 地图，不仅在 EOR 期间，而且一直追溯到黑暗时代。这涵盖了广阔的空间：由于宇宙膨胀，宇宙历史的最初十亿年占当前可观测宇宙体积的 80%。马萨诸塞理工学院 (MIT) 位于剑桥市的宇宙学家 Max Tegmark 说，到目前为止，星系的 3D 巡天（倾向于覆盖更近、因此更明亮的天体）已经绘制了不到 1% 的体积的详细地图。Loeb、Tegmark 和其他人计算出，EOR 之前氢密度变化包含的信息比 CMB 包含的信息多得多，而 CMB 到目前为止一直是衡量宇宙主要特征的黄金标准。这些特征包括宇宙的年龄、它包含的暗物质的数量及其几何形状。

绘制早期氢的地图将是一项巨大的技术挑战。西班牙巴塞罗那大学的宇宙学家 Jordi Miralda-Escudé 说，以目前的技术来看，这太具有挑战性，简直是“白日梦”。

但 Loeb 说，制作此类地图的回报将是巨大的。“21 厘米信号今天提供了关于宇宙的最大数据集，这些数据集将永远可以供我们访问。”

本文经许可转载，并于 2019 年 8 月 14 日首次发表。