消失的宇宙黎明
消失的宇宙黎明Original Takeko
原理 2022-03-05 04:31
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我们对早期宇宙发生的事情仍然知之甚少。目前主流的共识是，宇宙大爆炸之后的很长一段时间里，在最早的恒星诞生之前，宇宙一直保持着中性且黑暗的状态，也就是宇宙的黑暗时期。直到第一批恒星出现，宇宙才真正迎来了“黎明”。但是，宇宙黎明到来的时间仍然是个谜。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHO0dHb4AIo8sSzwqp1dY3yuvoCzoFOn1PsGTJYjUuxn3aRLXIg1NAyqOibZialePicjicukMCVhFZNzXQ/640?wx_fmt=jpeg大爆炸会产生电子和质子。随着宇宙的膨胀和物质的冷却，在大爆炸约38万年后，电子和质子会结合形成中性氢（即复合时期）。在引力的作用下，氢会聚集坍缩形成第一批恒星和星系，这一时期被称为“宇宙黎明”。| 图片来源：NASA/WMAP Science Team; R. Ellis(Caltech)
2018年，宇宙学界出现了一场不小的轰动事件。来自EDGES的天文学家报告称，他们发现一个特定频率的射电波比来自夜空的其他波明显要暗得多，这被解读为“宇宙黎明”在光谱中留下的特征，也就是大爆炸后第一批恒星诞生的突破性信号。这是许多天文学家梦寐以求希望看到的。
更重要的是，观测到的信号和理论预测有很大区别，它还引发了一系列理论活动。与此同时，全世界的天文学家也开始试图检验确认这一信号。
近日，一组研究团队公布了他们最新的搜索结果。非常遗憾的是，结果是否定的，他们没有找到之前出现的那种信号。团队已于近日将结果发表在《自然·天文学》上。
宇宙黎明的特征
来自可观测宇宙中最古老的恒星的光线必须经过一百多亿年的旅行才能到达地球，这太遥远了，普通的望远镜完全无法直接观测。为了寻找宇宙的第一缕星光，射电天文学家一直在利用射电波频谱寻找一种间接的影响。
氢原子会天然地吸收并发射波长21厘米的射电波。由于宇宙在不断地膨胀，因此这些射电波在前往地球的旅途中会被拉长。那些来自更遥远氢云的波，被拉伸的时间也更长，所以抵达地球时的波长也会变得更长。这种光的拉伸为天文学家提供了一种宇宙历史事件的时间戳记录。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHNBy3GjuJ9J8YSAEB5BPIy8BiczY14JIicV5zjFSjlAP3Dx9DeHnS7RKsxUPONkFWaR8uSLe5VVibOYw/640?wx_fmt=jpeg氢原子可以在两个不同能级间转换。| 图片来源：原理
半个多世纪以来，天文学家一直在利用21厘米发射的概念来研究附近的星系。但随着科学的发展，许多天文学家也开始测量更长的波长，从而寻找更古老的氢云发射。
当氢原子最初形成时，它们以相同的速率吸收并发射环境21厘米辐射，因此，充斥着原始宇宙的氢云实际上是看不见的。随后，宇宙黎明到来，来自第一批恒星的紫外线辐射激发了原子跃迁，使得氢原子吸收的21厘米波比它们发射的要多。
从地球上看，这种多出来的吸收就会在一个特定的射电波长上表现出亮度下降，这就标志着最早的恒星被点燃的时刻。随着时间的推移，第一批恒星坍缩成黑洞。围绕这些黑洞旋转的高温气体产生了X射线，加热了整个宇宙的氢云，增加了21厘米发射的速率。我们会观测到比更古老的光的波长稍短的射电波长上亮度的略微上升。最终的结果便是，在一个狭窄的射电波长范围内出现亮度的微小“凹陷”。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHO0dHb4AIo8sSzwqp1dY3yuRiasOqo5KTRicjyMiavBarz5fNltFcmWHVlPt3yzW7TurZTSOwSlUWZUw/640?wx_fmt=jpegEDGES天线。| 图片来源：Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation
2018年，研究人员在澳大利亚内陆使用一个类似咖啡桌的仪器，它被称为EDGES（检测再电离时代的全局特征实验），报道了原始射电频谱上出现的这样一处凹陷。团队认为，这就是宇宙黎明的特征信号。
随之而来的问题
但是EDGES的信号似乎是个“过分好”的东西了。频谱中的凹陷比理论预测的更深、也更广。这处凹陷出现在波长4米左右的位置，并不是理论学家所预期的位置。如果这是真的，它说明第一批恒星出现得比预想的早得多，而之后X射线很快便充斥了整个宇宙。更奇怪的是，这处凹陷非常显著，表明早期宇宙中的氢比理论模型预测的要冷。
同时为了解释这样一个印记，理论物理学家也尝试提出了一系列奇特的机制，例如可能存在前所未知的基本粒子，它的电荷只有电子的数千分之一。
但还有一些研究人员则表示对这一结果本身的疑虑。探寻宇宙黎明的射电信号的困难不言自明，来自早期宇宙的射电波会被各种各样的信号源产生的噪声所淹没，灵敏的探测天线也会受到各种意想不到的微弱影响，从而导致结果偏差。用一些天文学家的话说，在频谱中寻找原始特征就像站在数千米外想要发现山顶上的树影一样。
为了排除各种问题，EDGES团队在发表数据之前花费了两年时间进行了反复检查，以精确的计算排除了环境、实验系统性等各种方面的影响。但它显然没能让所有人信服。随后，不少研究团队着手开始对EDGES的发现展开交叉验证。
新的实验
来自宇宙黎明的氢21厘米发射到达地球的波长为数米，这恰好在调频广播和电视广播的范围内，排除人类活动的无线电频率的干扰是探测的首要任务之一。为此，研究人员在地球上一些最偏远的角落架设了天线。
在这项新的研究中，研究团队采用了一种史无前例的方法，他们决定让仪器漂浮在印度的湖面之上。这台被称为SARAS（背景射电频谱的异形天线测量）的天线呈圆锥形，这让它对射电波的反应更易计算，而它下面的水则意味着科学家不用处理不确定的地形结构和射电特征，让处理数据时对环境的建模更加方便。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHO0dHb4AIo8sSzwqp1dY3yuFLBs3qeCszn1qLUU6eMZtJ2ObLuibHomkKciciafszzvAeC9sYpEEiaEbA/640?wx_fmt=jpegSARAS天线。| 图片来源：Ravi Subrahmanyan
在多次尝试后，团队找到了盐度适当的湖泊进行了实验。最终，SARAS在4米波长附近测量到了一个平滑的频谱，并没有找到之前EDGES看到的深度凹陷的迹象。有研究人员猜测，EDGES的凹陷可能来自仪器误差。
还没结束
虽然这一结果有些令人失望，但大多数天文学家都认为，下定论还为时尚早。总的来说，无论就仪器校准还是分析手段等方面而言，EDGES和SARAS都称得上是极其缜密周全的实验，因此现阶段简单地说谁对谁错都太草率了。
目前，仍有几项相关实验在进行中，答案或许就在不远的未来。与其说这一结果带来了失望，不如说它让科学家更兴奋了。
#创作团队：
撰文：Takeko设计/排版：雯雯
#参考来源：
https://www.nature.com/articles/d41586-022-00577-7https://www.quantamagazine.org/in-new-experiment-astronomers-see-no-sign-of-cosmic-dawn-20220228/#图片来源：
封面图：max pixel首图：pixabay
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