宇宙是何時被點燃的？天文學家正在接近準確時刻

2020-08-10 天文在線

一個科學家團隊正在與默奇森寬場陣列（WMA）射電望遠鏡合作，嘗試從宇宙的第一批恆星中獲取信號——這批恆星是在宇宙黑暗時代之後形成的。為了探測到它們的第一束光，研究人員需要先尋找中性氫的信號，這種氣體在黑暗時代後佔據了宇宙。

形成第一批恆星需要一定時間。大爆炸之後，宇宙極度炙熱，導致原子無法形成。沒有原子，也就無法形成恆星。

澳大利亞默奇森寬場陣列 （圖源：Baidu）

直到大爆炸後的大約37.7萬年，宇宙才膨脹並冷卻到足以形成原子的狀態，主要是氫和少量的氦（還有痕量鋰）。此後，在再電離時代期間，最早的恆星開始形成。

宇宙大爆炸設計圖 （圖源：Bing）

為了找到來自中性氫的難以捉摸的信號，MWA進行了重新配置。MWA位於偏遠的西澳大利亞州，2013年開始運作，有2048個無線電天線，它們被排列成128個&34;。為了尋找這個信號，「瓦片」的數量增加了一倍，達到256塊，整個陣列被重新排列。這些接收器裡的所有數據都被輸入到一臺名為Correlator的超級計算機中。

即將在《天體物理學雜誌》上發表的一篇論文介紹了對新配置陣列中數據的首次分析結果。論文的標題為「Redshift 7的第一季度MWA II期EoR 功率頻譜結果」。首席研究員是布朗大學博士生李文洋。

這項研究旨在了解中性氫信號的強度。分析設定了該信號的最低限度，這是搜索微弱信號本身的關鍵結果。

布朗大學物理學助理教授，論文作者喬納森·波伯表示：「我們可以自信地說，只要這個中性氫信號強於我們在論文中設定的極限，望遠鏡就能觀測到它。這些發現可以幫助我們進一步限制宇宙黑暗時代的結束時間以及第一顆恆星出現的時間。」

儘管看起來像早期宇宙中事件的詳細時間表，但我們的理解仍存在很大差距。黑暗時代之後，宇宙開啟了再電離時代。在這一時期，原子的形成導致了宇宙中第一個結構的出現，例如恆星、矮星系和類星體。

類星體MRK 231（圖源：tech.qq）

當這些物質形成時，他們的光在宇宙中傳播，使中性氫重新電離。之後，中性氫便在星際空間中消失了。

宇宙的歷史

從宇宙黑暗時代過渡到再電離紀元，再到再電離紀元的展開，科學家想知道中性氫在這段期間是如何變化的。宇宙中形成的第一批恆星是我們今天看到的結構的基礎，要理解它們，科學家們需要從早期的中性氫中尋找信號。

但這並不容易。這個信號很微弱，我們需要非常靈敏的探測儀器才能找到它。雖然中性氫最初以21釐米的波長發射輻射，但由於宇宙膨脹，信號被拉伸了。

現在信號的長度大約是2米。它很容易在許多其他相似的自然或人為信號中丟失。這就是為什麼MWA建立在偏遠的澳大利亞——為了將它與儘可能多的無線電噪音隔離。

無線電幹擾 （圖源：sohu）

波伯說：「其餘的信號來源都要比我們試圖探測到的中性氫信號強很多個數量級。即使飛機上反射的調頻無線電信號恰好從望遠鏡上方通過，也足以汙染數據。」

這就到了展現Correlatoe超級計算機處理能力的時候了。它能夠丟棄汙染信號，也可以考慮MWA本身的性質。

「如果我們觀察不同的無線電頻率或波長，望遠鏡的表現會有所不同，」波伯表示，「校正望遠鏡的反應對於分離天體物理汙染物以及目標信號至關重要。」

陣列的重新配置、數據分析技術、超級計算機功能以及研究人員的辛勤工作都有了結果。論文為來自中性氫信號提出了新的上限。

這是與MWA合作的科學家第二次發布新的，更精細的限制。隨著不斷的進步，科學家們希望找到這個難以捉摸的信號本身。

波伯說：「這一分析表明，第二階段的升級產生了許多預期效果，新的分析技術將改善未來的分析。MWA現在連續發布了信號的兩個最佳限制，這一事實使這種實驗及其方法具有很大的前景。」

作者: sciencealert

FY: Plusone

如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處

相關焦點

  • 宇宙是何時被點燃的?天文學家正在接近準確時刻
    一個科學家團隊正在與默奇森寬場陣列（WMA）射電望遠鏡合作，嘗試從宇宙的第一批恆星中獲取信號——這批恆星是在宇宙黑暗時代之後形成的。為了探測到它們的第一束光，研究人員需要先尋找中性氫的信號，這種氣體在黑暗時代後佔據了宇宙。形成第一批恆星需要一定時間。大爆炸之後，宇宙極度炙熱，導致原子無法形成。
  • 宇宙第一束光是何時、哪裡發出的?已經找到答案,確定是嬰兒宇宙
    大家好，歡迎收看量子科普第27期，我是常常，今天和大家聊一聊關於宇宙中第一束光是何時、從哪裡發出的。天文學界目前公認的宇宙誕生時間應該是137億年前的那場宇宙大爆炸，從137億年前宇宙到如今，宇宙大致可以分為三個階段。
  • 宇宙中有哪些知名的正在接近「死亡」的天體?
    首先，我們在宇宙中能夠看到大部分都是恆星，這是因為恆星會光。而行星以及其他天體並不會發光。所以，現在研究奧特爾星雲其實都是依靠著研究奧爾特星雲飛進太陽系的小行星和隕石。所以實際上，我們是看不到奧爾特星雲的具體情況的。
  • 宇宙於何時甦醒？
    簡介：一組天文學家在一項新的研究中發現了一些最古老的星系。他們發現，當宇宙剛剛6億8千萬歲時，這些天體就已經完全形成了。這些天體或許可以告訴我們宇宙醒來的時間和形成過程。Tilvi(ASU)對於我們的宇宙來說，第一批星星的誕生是一個重要的時刻，但是對於科學家來說，這一刻是難以捉摸的。不過新的研究表明，一個天文學家團隊確認了一些從未被發現的古老星系。據科學家的發現，這些星系在宇宙只有6億8千萬歲的時候就形成了，同時科學家們也證明了這些星系的周圍放射出極強的紫外線輻射。
  • 美國航海家1號正在接近太陽系的邊緣
    發射於1977年的航海家一號如今距離地球已有170億公裡，現在應該已經接近太陽風頂層，在那裡從太陽發射出的等離子太陽風已經不能抑制來自星際空間的宇宙射線。　　太陽風頂層曾被認為是處在太陽系區域和星際宇宙之間一層電磁波動極其強烈的區域。然而如今航海家一號卻出乎意料的處在一個相對平靜的空間區域中。
  • 天文學家發現約是134億年前形成星系,距離大爆炸僅4億年
    自遠古時代以來，哲學家和學者就開始考慮時間的開始，甚至試圖確定萬物何時開始。直到現代天文學時代，我們才以相當確定的程度接近回答這個問題。根據最廣泛接受的宇宙學模型，宇宙始於大約138億年前的大爆炸。即使這樣，天文學家仍然不確定早期宇宙的樣子，因為這個時期與宇宙的「黑暗時代」相吻合。因此，天文學家不斷開發其儀器的極限，以查看最早的星系何時形成。
  • 第一顆恆星是何時出現的?基於大爆炸,科學家給出了一個時間區間
    你可能知道，現代科學都傾向於相信，宇宙和宇宙中所有的物體都是宇宙大爆炸的結果。儘管有人對這一假設持懷疑態度，但到目前為止，這一理論是最符合邏輯的。儘管該理論有缺陷，但它揭示了宇宙的物理圖景，並且與科學家的觀察結果並無矛盾。
  • 中國天文學家主導破獲宇宙「大案」
    2020-10-06 14:54:12 來源：中國新聞網原標題：中國天文學家主導破獲宇宙「大案」：鎖定富鋰巨星真身中新網北京10月6日電 (記者 孫自法)宇宙中富鋰巨星的真實身份是什麼？其鋰元素含量超過恆星演化理論值的上千倍是怎樣形成的？
  • 天文學家是如何計算宇宙年齡的?
    起初人們認為宇宙是一個靜態的且沒有開端的永恆宇宙，但天文學家的觀測告訴他們事實並不是如此，宇宙不是一個永恆的宇宙，它與人類一樣、與一切渺小的事物一樣都有壽命，宇宙是有開端的。既然有開端，那麼宇宙就存在年齡的問題，宇宙到底多大歲數了呢？
  • 新哈勃常數測量,讓宇宙膨脹率又多一層迷霧!到底哪個是準確的?
    這個問題可能會導致對宇宙基本性質的新解釋。近一個世紀以來，科學家們已經知道宇宙正在膨脹，這意味著宇宙中星系之間的距離每秒鐘都在變得越來越大。但是，空間究竟在以多快的速度擴張，這一被稱為哈勃常數的數值，仍然難以捉摸。現在，芝加哥大學教授溫迪·弗裡德曼和同事們對現代宇宙的膨脹速度有了一個新測量，這表明星系之間的空間，正在以超出科學家預期的速度膨脹。
  • 天文學家如何測量恆星間的距離,結果準確嗎
    宇宙如此浩瀚，以至於我們不得不使用光年這種距離單位來衡量宇宙中星體間的距離。即便如此，對於很多恆星、星系來說，它們距離我們太過遙遠，似乎讓光年這種距離單位覺得不夠用了，比如，某某星系距離我們幾億光年。
  • 厲害了，中國天文學家主導破獲宇宙「大案」
    這一備受學界關注的、事關宇宙起源與演化的「大案」，最新由中國天文學家主導的國際科研團隊攜手破解，他們通過監測恆星「心跳」形成的「心電圖」發現，絕大多數富鋰巨星其實都是紅團簇星，而不是傳統上所認為的紅巨星。
  • 天文學家發現了宇宙中最遙遠的星系,開啟了了解宇宙歷史的窗戶
    我們即將寫下一部近乎完整的宇宙歷史。天文學家現在已經觀察到星系可以追溯到宇宙大爆炸的97%，也就是138億年前。來自這樣一個名為SPT0615-JD的星系的光，在133億年前開始了它向地球的旅程。通過研究這些天體，我們希望了解最初的星系是如何形成的，以及如何影響新生的宇宙。例如，我們相信像SPT0615-JD這樣的星系通過噴射出周圍氣體吸收的紫外線改變了早期的空間，把宇宙中第一個中性原子變成了它們開始時的孤質子和電子(這個過程被稱為再電離)。然而，這一過程如何以及何時發生的細節仍不清楚。如果幸運的話，我們正在觀測的古老星系將會改變這一狀況。
  • 天文學家破獲宇宙「大案」：鎖定富鋰巨星真身
    這一備受學界關注的、事關宇宙起源與演化的「大案」，最新由中國天文學家主導的國際科研團隊攜手破解，他們通過監測恆星「心跳」形成的「心電圖」發現，絕大多數富鋰巨星其實都是紅團簇星，而不是傳統上所認為的紅巨星。
  • 宇宙年齡已有138.2億年，天文學家如何知道的？
    他們認為宇宙的密度是均勻同向性的，並時刻都在無中生有產生物質，就是為了填充宇宙膨脹時擴張的空間，來達到太空中密度的均衡。這在現在看來很荒謬，因為它違背了守恆定律，也不能解釋宇宙微波背景輻射。同一年，美國天文學家哈勃觀測到了星系紅移現象，說明了宇宙中的各星系正在互相快速遠離，這個發現驗證了勒梅特的宇宙膨脹說。
  • 天文學家：我們周圍的宇宙正在不斷消失中
    現在大部分天文學家認為，宇宙是在加速膨脹著，而且不是邊緣在膨脹，裡面各個區域的時空都在膨脹。雖然光和物質的最快速度是光速，可是時空的膨脹沒有極限，所以離我們足夠遠的區域的物體，由於與地球之間間隔著大量的時空，它們遠離我們的速度將超過光速。
  • 萬物盡頭，宇宙的至暗時刻，會發生什麼
    《萬物盡頭》是美國理論天文學家凱蒂·馬克（Katie·Mack）所著，討論了宇宙滅亡之時的幾種可能的情景。書中說，宇宙正在以一個不斷加速的速度膨脹，物理學家們預計這種膨脹將導致宇宙的終結，而宇宙終結的方式有以下幾種
  • 史萊姆黴菌幫助天文學家繪製宇宙暗物質圖
    一個簡單生物的覓食行為正在幫助天文學家追蹤宇宙中廣闊的宇宙網，暗物質及所有事物 。這張詳細的計算機模擬快照（與本研究無關）顯示了宇宙網的複雜結構。通過建模和觀察宇宙網，研究人員正在獲得對早期宇宙的結構和演化的見識。一個無腦的單細胞有機體，擁有尋找食物的訣竅，正在幫助天文學家研究宇宙中最大，最神秘的結構-宇宙網。但是首先，事情可能會變得有些泥濘。
  • 中國天文學家主導破獲宇宙「大案」:鎖定富鋰巨星真身
    這一備受學界關注的、事關宇宙起源與演化的「大案」，最新由中國天文學家主導的國際科研團隊攜手破解，他們通過監測恆星「心跳」形成的「心電圖」發現，絕大多數富鋰巨星其實都是紅團簇星，而不是傳統上所認為的紅巨星。
  • 中國天文學家主導破獲宇宙「大案」：鎖定富鋰巨星真身
    這個在近十年才陸續進入大眾視野中的「新興」元素，其實幾乎和宇宙一樣古老。事實上，鋰是宇宙最早形成的元素之一。伴隨著137億年前的大爆炸，鋰元素在宇宙誕生後的20分鐘內就出現了，作為構成當今物質宇宙的基本元素之一，鋰元素可以說連接了宇宙的過去與現在。不過，鋰元素在宇宙中很多天體內的含量卻與理論表現出較大差異，也一直困擾著天文學家。