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原文作者：Davide Castelvecchi
射電天文學家通過氫來尋找宇宙最初十億年的線索。
要想知道從地球看宇宙是什麼樣子，可以想像一個大西瓜。我們的銀河系是西瓜中央的一顆瓜子，它周圍的空間，也就是粉紅色的瓜瓤上散落著無數其他瓜子。這些也是我們——中間的那顆瓜子上的住民——通過望遠鏡能看到的東西。
西澳大利亞默奇森廣角陣列（Murchison Widefield Array）的局部夜景。來源：Dr John Goldsmith/Celestial Visions
因為光速是有限的，因此我們看到的都是過去的星系。西瓜裡離中心最遠的瓜子是至今為止看到的最早出現的星系，當時宇宙的壽命只有現在的十三分之一——現在宇宙的壽命是138億年。離它們更遠的，也就是薄薄的綠色瓜皮上，就是恆星出現之前的原始之物。這一層代表著只有38萬歲的宇宙，仍然是一鍋溫熱明亮的亞原子湯。我們知道這段時期存在，是因為它的光線仍然在空間中傳播——不過，它在漫長的歲月裡已經擴散了很遠，現在已經變成了叫做微波輻射的微光。
可觀測宇宙中最神秘的部分是西瓜的另外一層，在綠色瓜皮和粉色瓜瓤之間的部分。這代表了宇宙最初十億年的歷史。天文學家只看到了這段時期裡的很少幾個特別亮的星系和其他天體。
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但這也是宇宙變化最為劇烈的時期。我們知道這個轉變的結果——畢竟我們現在就存在於這裡——但是不知道到底怎麼發生的。最早的恆星如何產生的？什麼時候產生的？看起來是什麼樣？黑洞在星系的產生上起到了什麼作用？比普通物質重得多，又被認為塑造了宇宙演變的暗物質，其本質是什麼？
一系列大大小小的射電天文學項目正在試圖描繪這一未知之境。天文學家們有一個簡單的信息源——氫原子放射和吸收的一個單一孤立的波長。氫是大爆炸之後普通物質裡佔絕大比例的元素。為了努力探測到這一細微的信號——氫光譜中波長21釐米的一條譜線，天文學家們在世界上最偏遠的地方架設了靈敏度越來越高的天文臺，其中包括青藏高原上一個湖泊中的木筏，以及加拿大北極圈內的一個島嶼。
去年，澳大利亞內陸一個簡單得可疑的天線——其真身是宇宙再電離信號探測實驗（EDGES）——可能首次在最早的恆星周圍看到了原初氫的線索1。其他實驗也很快就要達到描繪原初氫——繼而早期宇宙——三維圖像所需要的靈敏度了。現在，這是「宇宙學的最後一塊邊陲」，哈佛-史密松天體物理中心的理論天體物理學家Avi Loeb說。這是一把鑰匙，可以解開一片無形均質粒子如何演變成為恆星、星系和行星的謎團。「這是我們的創世紀——我們的來源中的一環。」Loeb說。
一條細線
大爆炸之後大約38萬年，宇宙中主要由質子和電子構成的湯已經膨脹冷卻到能夠形成原子的程度了。當時普通的物質中氫佔了絕對多數，但它在電磁譜中的大多數頻率上都不會放出或吸收光子。因此，它幾乎是隱形的。
但是氫裡面唯一的一個電子是個例外。當電子在兩個自旋方向間變化的時候，就會放出或吸收一個光子。這兩個狀態的能量幾乎完全一樣，因此光子產生的變化也很小。因此，這個光子會有相對較低的電磁頻率，即相當長的波長，略大於21 cm。
20世紀50年代，正是氫的這個標記揭示了銀河系的螺旋結構。20世紀60年代末，現在在德國馬克斯·普朗克天體物理研究所任職的蘇聯宇宙學家Rashid Sunyaev等人首先意識到這條線還可以用來研究原初宇宙。由於宇宙膨脹導致的紅移，今天這些21 cm的光子的波長變到了1.5到20米之間——對應大約15-200兆赫茲（MHz）。
Sunyaev和他的導師（已經去世的Yakov Zeldovich）考慮過使用原初氫信號來檢驗早期的一些宇宙起源理論。但是，他告訴《自然》雜誌，「當我去找射電天文學家的時候，他們說『Rashid，你瘋了！我們不可能觀測到這個的。』
對早期宇宙再電離時期的模擬。新星系周圍已經電離的物質（亮藍色）不再會放出波長21釐米的輻射。仍在放出21釐米輻射的中性氫原子則顯示為黑色。來源：M. Alvarez、R. Kaehler和T. Abel/ESO。
問題在於，氫譜線紅移到無線頻段之後，會變得非常弱，因此看起來根本不可能從銀河系以及人類活動所散發出的嘈雜無線信號中分離出來——包括FM無線電臺和汽車的火花塞都會散發出這種信號。
使用21cm的光子為早期宇宙繪製地圖在之後的三十年中只獲得了很少的關注，但是過去幾年的技術進步讓這項技術變得現實起來。無線檢測的基礎沒有變；很多射電望遠鏡都是用塑料管和絲網這樣的簡單的材料製造而成。但是，望遠鏡的信號處理能力強大得多了。原本為遊戲機和手機所開發的消費電子部件，現在讓天文臺能夠以相對小的投入來處理巨量數據。與此同時，理論宇宙學家也為21釐米宇宙學構建出了更為詳細可信的願景。
黑暗與黎明
當大爆炸產生氫原子之後，宇宙中唯一的光只有現在地球上能看到的一種全方向的長波輻射，它被稱為宇宙微波背景（CMB）。大約140億年前，大爆炸所產生的餘暉在人類眼中看起來應當是統一的橙色。然後天空會逐漸變紅，隨之緩緩陷入完全的黑暗。那裡沒有任何能產生可見光的物質，而背景輻射的波長會不斷向紅外甚至更長的頻段移動。宇宙學家將這一時代稱為黑暗時代。（見圖「地球視角下的早期宇宙」）
圖片：Nik Spencer/Nature，改編自 J. R. Pritchard & A. Loeb Phys. Rev. D 82, 023006 (2010).
理論學家逐漸意識到，宇宙的演化會在充斥其中的氫身上留下三種不同的痕跡。第一個事件是大爆炸後500萬年左右開始的，那時氫已經足夠冷卻，使得吸收的背景輻射比放出的要多。這段時期的證據今天應當可以在CMB譜中探測出來，即某個特定波長上的強度衰減。這個特徵被稱為黑暗時代谷。
第二個變化發生在大約2億年之後，物質已經聚集到了足以形成第一批恆星和星系的程度。這一「宇宙黎明」向星系之間的空間裡釋放出了紫外輻射，因此那片空間中的氫變得更容易吸收21釐米的光子。因此，天文學家預測會在CMB光譜中另一個較短的波長上看到第二個谷。這就是EDGES可能探測出的特徵1。
在宇宙出現5億年後，氫發生了更為劇烈的變化。恆星和星系所放出的紫外輻射足夠亮，使得宇宙中的氫開始發螢光，成為明亮的21釐米光子源。但是，距離第一批星系最近的氫吸收了過多能量，因此會失去電子變黑。這些黑暗的離子泡會在5億年間隨著星系變大融合而逐漸成長，因此星系間發亮的氫就會越來越少。即使到了今天，宇宙中絕大部分氫仍然都是離子態。宇宙學家將這個過渡稱為再電離時代（EOR）。
EOR是很多正在進行或籌備中的21釐米射電天文學實驗試圖探測的目標。人們希望通過拍攝天空中不同波長（等價於紅移）的圖片，來繪製出它隨時間演變的三維圖譜。「我們可以弄出一部電影。」倫敦帝國理工學院的天體物理學家Emma Chapman說。離子泡何時形成，形狀如何，增長多快之類的細節可以告訴我們星系如何形成，如何發光。如果恆星是再電離的主要推手，那麼離子泡就會有漂亮規則的形狀，Chapman說。但是「如果有很多黑洞，那它們就會變得更大，形狀也會有更多花樣，或是長出毛」，她說。因為從黑洞裡射出來的輻射束和恆星中射出來的相比，能量更高，穿透力也更強。
EOR還可以為目前基本的宇宙演化模型提供嶄新的驗證方式。雖然暗物質的證據有很多，人們還沒能夠判定出它到底是什麼。EOR的信號可以幫助判定暗物質到底是由較慢或者說「冷」粒子——目前大家偏向這種模型——還是更輕更快的「熱」粒子組成，英國平方千米陣（SKA）的天體物理學家Anna Bonaldi說。「暗物質的本質是有待解決的問題之一。」她說。
雖然天文學家焦急地想知道更多關於EOR的信息，但他們現在才剛勉強有能力探測到它。開路的是射電望遠鏡陣列，它們能比較不同天線的信號，從而檢測到天空中不同方向傳來的波強度變化。
這之中最先進的陣列之一是低頻陣列望遠鏡 (LOFAR)，它分布在多個歐洲國家，以荷蘭的小鎮Exloo為中心。作為目前全世界最大的低頻射電天文臺，它也只能為離子泡的大小分布縮小一些範圍。這可以排除一些極端情況，例如說星系間的介質極冷就是不可能的，格羅寧根大學的天文學家Leon Koopmans說，他領導開展了LOFAR的EOR研究。在近期的一次升級之後，LOFAR的競爭對手——西澳大利亞沙漠中的默奇森廣角陣列（MWA），進一步縮小了範圍。這份結果很快就會發表。
2018年，馬裡恩島上兩名研究員和他們的天線。這是南非誇祖魯-納塔爾大學一個團隊在馬裡恩進行的探測高紅移無線強度實驗的一部分。來源：Hsin Cynthia Chiang
在研究人員看來，短期之內要測量到EOR的真實統計性質，而不僅僅是縮小範圍，最好的機會可能是另一個被稱作氫再電離陣列 (HERA) 的項目。這組望遠鏡包含了300個拋物線形狀的天線，正在南非的北開普省建造，預計這個月就會開始測量數據。MWA和LOFAR是通用的長波長天文臺，而HERA的設計則是為探測原初氫進行了優化。它緊密排列的14米寬碟形天線覆蓋了50-250 MHz的波長。理論上說，這會使它對星系剛開始照亮宇宙的宇宙黎明谷，以及其後的EOR更為敏感（參見「地球視角下的早期宇宙」）。
和同類的其他實驗一樣，HERA需要處理銀河帶來的幹擾。我們的銀河系和其他星系所產生的無線頻段輻射要比原初宇宙的氫譜線要吵上千倍，HERA的項目負責人、加州大學伯克利分校的射電天文學家Aaron Parsons警告說。幸運的是，銀河系放出的輻射有著光滑、可預測的譜線，因此直接減掉這一譜線就可以顯示出宇宙的特徵。但是，射電天文學家為此必須精確知道他們的儀器對不同波長會如何反應，即它的系統誤差。周圍環境中的微小改變，例如土壤溼度或是周圍一棵灌木剪了枝，都會產生影響，這就和FM廣播信號會根據你坐在屋裡什麼位置而發生變化一樣。
如果一切順利的話，HERA團隊可能會在幾年內獲得關於EOR的首批結果，Parsons說。墨爾本大學的天體物理學家，也是MWA合作成員之一的Nichole Barry對成功率很有信心：「HERA的靈敏度足夠高，只要能把系統誤差控制住，砰！他們很快就能得到測量結果。」
和現有的所有陣列一樣，HERA的目標是測量離子泡的統計數據，而不是繪製三維圖像。想獲得EOR的三維圖像，天文學家最大的希望寄托在7.85億美元的SKA上，它預計會在下一個十年上線。SKA是野心最大的射電天文臺，會分布在兩個大洲上。其中位於澳大利亞的一半被設計來收集50-350 MHz的頻段，這個頻段和早期宇宙的氫有關。另一半在南非，則會響應更高的頻率。
原始人宇宙學
望遠鏡陣列越來越大，越來越貴。但是，另一種觀測21釐米的設備則看起來仍然很儉樸。EDGES和很多項目都使用單一天線來收集數據，以測量整個天空中無線電波某種屬性的平均值為設計目標。
這些項目裡所使用的天線「挺原始人的」，CfA的射電天文學家Lincoln Greenhill說。他指的是這些設備比較樸素。但是研究者們花了很多年時間痛苦地調整它們來改變其系統誤差，或是用計算機建模來找出系統誤差到底是多少。這是「自虐式的固執」，Greenhill說，他領導著美國大光圈黑暗時代探測實驗（LEDA）團隊。他經常一個人去LEDA在加利福尼亞州歐文斯谷的天線執行各種任務，其中包括在天線下面的沙漠上鋪一塊新的金屬屏，用以反射無線電波。
由於需要這些微調，因此整個領域對EDGES的發現接受得很慢。EDGES看到的宇宙黎明信號意外地大，意味著大爆炸之後大約2億年時氫氣比理論預測要冷很多，可能是4開爾文而不是7開爾文。自從這些結果於2018年初發表之後，理論學家們寫下了幾十篇論文，提出可能會導致這些氣體變冷的機制。但是很多射電天文學家——包括EDGES團隊在內——都警告說，應當等這些實驗重複之後才能接受結果。
LEDA正在試圖這麼做，另外幾個在更加偏遠地區的實驗也是一樣。印度拉曼研究所的Ravi Subrahmanyan正在製造一個小的球形天線，叫做SARAS 2。他和他的團隊將它運到了青藏高原上的一個觀測站，現在正在試著將它放在湖中央的一個木筏上。由於下面是活水，「就能保證下方是一個均勻的介質。」Subrahmanyan說。和放在土壤上相比，這會讓天線收到的信號更容易理解。
南非誇祖魯-納塔爾大學的物理學家Cynthia Chiang和她的同事則走得更遠——都快走到南極洲了。她們到偏遠的馬裡恩島上設置了探測宇宙黎明的實驗，稱為馬裡恩探測高紅移無線強度實驗（Probing Radio Intensity at High-Z from Marion）。目前在加拿大麥吉爾大學任職的Chiang還會去一個新站點——加拿大北極圈內的阿克塞爾海伯格島。那裡無線幹擾較少，團隊希望能夠檢測到低達30 MHz的頻率，這樣他們就能探測到黑暗時代谷。
在如此低的頻率下，上方的大氣層就成為了觀測的嚴重阻礙。地球上最好的觀測地點可能是冰穹C——南極洲的一個高海拔站點，Greenhill說。在那裡，極光——主要的幹擾源——會在地平線以下。另外一些人把目光投向了太空，或是月球的背面。「那是內太陽系裡唯一的一個無線靜默的地點。」科羅拉多大學博爾德分校的天體物理學家Jack Burns說。他領導的團隊正在製作提案，計劃在月球軌道上放置一臺簡易望遠鏡，以及利用機器人月球車在月球表面鋪設一個陣列。
還有一些更為傳統的技術也對宇宙最早的十億年發起了探索嘗試，並探測到了幾個星系和類星體，這是由黑洞產生的「燈塔」——宇宙中最亮的現象之一。未來的儀器，特別是NASA預定於2021年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，會帶來更多這類發現。但是在可以預見的未來，傳統望遠鏡只能看到一些最亮的物體，因此無法對天空進行任何全面的搜索。
很多宇宙學家的終極夢想是繪製一幅氫的三維圖像，其中不僅包含EOR時期，還可以追溯到黑暗時代。這能涵蓋很大一片區域：由於宇宙膨脹，最早的十億年宇宙佔據了當前可觀測宇宙體積的80%。至今為止，最好的三維星系探測項目——大多會覆蓋距離更近、更亮的天體——也只為不到1%的宇宙繪出了詳圖，麻省理工學院的宇宙學家Max Tegmark說。Loeb和Tegmark等人計算得出，EOR之前氫密度的變化包含了遠多於CMB的信息量3，4，而後者至今仍然是測量宇宙主要特徵——包括宇宙壽命、暗物質含量及其幾何特性——的黃金標準。
為那麼早的氫繪圖將會是一項巨大的技術挑戰。巴塞隆納大學的宇宙學家Jordi Miralda-Escudé說，以目前的技術水平，要完成這一挑戰簡直就像是「白日做夢」。
但是如果真能繪製出這樣的圖譜，收益會是巨大的，Loeb說。「現在，21釐米信號提供了關於宇宙我們可能得到的最大的數據集。」
參考文獻：
1.Bowman, J. D., Rogers, A. E. E., Monsalve, R. A., Mozdzen, T. J. & Mahesh, N. Nature555, 67–70 (2018).
2.Zeldovich, Y. B., Kurt, V. G. & Syunyaev, R. A. [in Russian] Z. Eksp. Teor. Fiz.55, 278–286 (1968).
3.Loeb, A. J. Cosmol. Astropart. Phys.2012, 028 (2012).
4.Mao, Y. Tegmark, M., McQuinn, M. Zaldarriaga, M. & Zahn, O. Phys. Rev. D78, 023529 (2008).
原文以The quest to unlock the secrets of the baby Universe為標題發表在2019年08月14日的《自然》新聞特寫上
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Nature|doi:10.1038/d41586-019-02417-7
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