通過這個21釐米譜線，或許我們可以重現宇宙的演化過程

我們只能知道宇宙138億年前最初的樣子和現在的模樣，那它是如何一直發展到今天的？宇宙學家通過21釐米譜線觀測，可以直接看見宇宙演化的整個歷史。21釐米譜線是什麼？用它來實際觀察宇宙會有什麼困難？

出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為清華大學天文系茅奕演講實錄：

大家好，我是茅奕，來自清華大學天文系。

今天我給大家講講，填補宇宙空白的記憶。

我們知道，宇宙起源於138億年前的一次大爆炸，大爆炸是一個形象的說法，準確地說在138億年前，宇宙處在一個極度高溫、高密度和高壓強的狀態。

在高溫度下，宇宙中所有的物質都以電離態的基本粒子形式來存在，就是質子和電子。

那麼隨著宇宙溫度慢慢降低，這些物質就開始結合。

在宇宙38萬年的時候，質子和電子就開始結合成為中性的氫原子和氦原子，還有數量非常少的，質量稍微大一點點的元素，比如說碳元素。

但是宇宙中絕大部分都是以氫原子和氦原子形式存在，在宇宙38萬年的時候，光和這些氫原子和氦原子就開始脫離開。

從那個時候開始，經過漫長的宇宙年齡就是我們今天看到的宇宙微波背景輻射。

它實際上是對宇宙在38萬年時候的物質狀態的一個驚鴻一暼。我們今天看宇宙微波背景輻射，各個方向上它的溫度幾乎是完全一樣的。

但是，如果把精度提高5個數量級就可以看到，在非常小的起伏狀態下，實際上各個方向的溫度還是有很小的差別的。

這些亮點就代表了溫度稍微高一點的地方，它的物質密度也稍微高一點點。而藍色的地方是它的溫度稍微低一點的地方，密度也稍微低一點。

就像溫度起伏，它的差別只是在10的-5次方，密度起伏，也是非常微小的。

在10的-5次方的量級，但是這個極小的密度起伏孕育了今天我們各種各樣的物質結構。

因為密的地方會由於引力的作用，吸引更多的物質，會變得越來越密，就慢慢地形成星系和星系團。

這些密度低的地方，也會變得越來越低，就會形成一個一個很大的空洞。在這個空洞裡邊，幾乎看不到任何一個星系。

那麼這個就是通過星系巡天看到的近鄰宇宙的樣子。

可以看到這些亮的地方，每一個黃點代表一個星系，這些星系是抱團的。

密的地方，周圍有密度比較高的星系。那麼就形成一個一個的像網一樣的結構，我們稱之為宇宙網。

而密度低的地方，像黑的區域其實就是一個一個很大的空洞。那麼我們今天可以通過微波背景輻射看到宇宙38萬年時候的樣子。

也可以通過星系巡天看到在今天近鄰宇宙的各種星系、各種非線性的結構。但是我們還缺乏觀測手段。

宇宙演化進程

宇宙是怎麼演化的呢？我們現在僅僅有理論的推測，但是還沒有觀測的直接的證據。

這就好像我們在以前小的時候，還沒有數位相機。我們就是過一段時間被大人拽到照相館拍一張照片放在相冊裡。

我們看一個人的相冊，就像我們看愛因斯坦小時候，是一個小Baby的樣子，但是如果直接看到最後一頁，他已經成為一個偉人的樣子。

我們就會想知道，他是怎麼從一個小Baby成長為一個偉人的。

對於宇宙來說也是這樣子，我們現在只能看到它的嬰兒期和現在的成熟的成人期，那麼中間這麼漫長的空白的記憶，我們也想去尋找它。

在理論上，我們有一個很好的推測，這個過程是怎麼發生的。

在宇宙38萬年微波背景輻射形成之後，我們剛才說了宇宙中所有的物質都是以中性氫原子、氦原子來存在的。

這個時候還沒有星系形成，所以宇宙中是黑暗一片。這個時代就是黑暗時代，這個時候只有氫和氦。

大概在宇宙1億年的時候，我們才出現了第一代的星系，就是這些藍、黃色的亮點。

那麼這些第一代星系發出的星光，會划過黑暗的宇宙。我們稱之為：宇宙進入了宇宙黎明。

那麼這些發出的星光其中有一部分能量很高，它能夠把原本是中性的氫原子重新電離掉。

也就是說把氫原子內部的電子給它打出去，這些氫原子又重新變成電離態的氫。在這些第一代星系周圍，形成一個一個的泡狀結構。

首先形成它的電離氫，是一個一個的泡狀結構。那麼這些隨著第一代星系越來越多，這些泡就開始變大。

電離的區域也會越來越大，越來越多，這些泡就會碰到一起叫併合，就會形成一個更大的泡。

但就是形狀不太規則，這些更大的泡會越來越多地加入在一起，最後充斥了整個宇宙。

這時候宇宙這個電離過程就結束了，我們把這個過程叫做宇宙再電離。

一開始，宇宙在微波背景輻射形成之前，是電離態的氫和氦，就是質子和電子。

在黑暗時代,宇宙中的物質是呈中性態，等到把這些中性的原子再次電離，我們把這個過程叫再電離時代。

宇宙再電離觀測

大概在宇宙10億年的時候結束，在這之後，宇宙中幾乎所有的氫都是以電離態的形式存在於宇宙，而只有很少很少的中性氫，還能夠存在於星系內部。

再往後，這個星系就開始繼續形成。一直到今天，我們看到今天的宇宙。

因此，宇宙黎明和宇宙再電離，這個時刻是宇宙演化過程非常重要的一個階段也是今天我們要講的一個主題。

我們想認識這個階段，但是觀測上我們怎麼去看到它呢？這個非常非常難。

原因是第一代星系它不是那麼亮，又離我們很遠。

所以通過傳統的這些光學，或者紅外望遠鏡，很難直接看到這些第一代星系。那我們怎麼辦？

別忘了那個時候，宇宙中充斥的是中性氫。這個圖就示意了當時的中性氫分布。

有一種食品叫做瑞士奶酪，瑞士奶酪中間空洞的地方，就這些電離氫，它已經被電離了，呈一個泡狀結構，那周圍的黃色的區域就是中性氫。

如果我們能夠通過某種手段，看到中性氫的話。我們就能直觀地看到宇宙再電離的過程。

但是中性氫是很難被探測到的，原因是那個時候的溫度已經很低了。所以大部分的氫原子中的電子都是處在能量最低的狀態，它沒有被激發。

因此我們往常的那些譜線都沒有，那怎麼辦呢？

別怕，大自然給我們創造了一個非常奇妙的宇宙，那就一定會給我們留下一個辦法去看到它。

這個辦法就是我們人類想到的中性氫21釐米譜線，這個譜線是怎麼形成的呢？

打個比方，我們知道中性氫，就是一個電子圍繞著氫原子核，也就是一個質子來旋轉。

這就好像月亮圍繞地球在公轉一樣。那麼同時就好像月亮和地球都還有自轉。

電子和質子也都有自轉，我們叫它自旋。

電子的自旋和質子的自旋之間其實有微弱的相互作用，當電子轉動的時候，如果它的自旋方向發生了反轉，在這個過程中它會發出一種能量很低的光。

它的波長在21釐米，這個光，我們叫它21釐米譜線。這個圖是我們用數值模擬合成得到的。

通過21釐米看到的宇宙的樣子，因此你可以看到這個藍色的地方，就是沒有21釐米信號的地方，就代表了這個區域。

宇宙已經被電離了，成了一個泡狀結構。而黃色的區域是代表這個宇宙還沒有被電離，就是還是中性的地方。

它有21釐米，我們可以通過21釐米譜線看到它的樣子，原則上我們能夠重現出宇宙。

一開始中性到慢慢出現了第一代星系，形成了這些泡狀的電離氫的區域。再到後來，宇宙慢慢全部被電離的這個整個的過程。

因此21釐米譜線對於宇宙再電離，將是非常重要的一個手段。

但是21釐米譜線還是非常難被探測到的。

21釐米譜線

我們講講這個歷史吧，21釐米譜線是怎麼看到的？

其他譜線是在上個世紀早期先在實驗室裡邊被探測到，然後再通過對它理論解釋的過程中發展了量子力學。

慢慢別人理解了，為什麼氫的這些譜線是這樣子的。

到1945年的時候，量子力學大廈已經基本形成了。

這時候荷蘭科學家H.van de Hulst，他當時的老師給他提出了這麼一個問題。

他們想尋找射電波段，有沒有一個譜線？

因為在當時射電波段只看到連續譜，沒有一個特殊的譜線。而譜線對於物理學家是非常重要的。因為它包含了很多重要的信息。

因此，老師問能不能從理論上去尋找出這麼一個譜線？

那他還真的去尋找了有哪些效應是我們當時沒有考慮到的。他就想到了這個原子核，質子和這個電子自旋之間的相互作用，能夠引發這個21釐米譜線。

因此，1945年他做的這個理論預言，大家都很興奮。他們的這個課題組就開始去實驗中尋找它。

這個譜線的機率，這個躍遷的可能性是非常非常小的，因此在實驗室是看不到這個21釐米譜線的。

那我們去哪裡看呢？沒關係，我們去天上看。

因為宇宙中最不缺的就是氫原子。所以即使你看很小很小的一片天區，也包含了足夠多，數量足夠巨大的氫原子。

其中能夠發射出21釐米譜線，因此他們就往天上看，但是他們這個理論做得很好，技術好像稍微差一點。

後來他們實驗室據說發生了一次火災，這些很多因素都造成他們最後無功而返。

時間到了1951年，美國哈佛大學的物理學家Purcell，他帶著他的學生Ewen，開始去尋找21釐米譜線。

他們是做實驗出身的，所以他們這方面很強。Ewen發明了一個號角狀的一個接收天線，很大，一層樓高。

然後他們使用了當時非常先進的數據收集以及處理辦法，結果他們不到三個月就找到了，看到了來自銀河系的21釐米譜線。

第一次看到這個21釐米譜線號角狀的接收天線現在還保存在美國國家射電天文臺。

那這個幸福來得太快了，有時候經常讓人不知所措，Ewen他就懷疑自己是不是哪兒做錯了呀。

這時候這個前面提到的H.van de Hulst，他正好來訪問哈佛天文臺。Purcell說你們兩個去討論討論吧，對對作業。

這時候他們倆就Ewen和H.van de Hulst就一起對了對筆記，結果發現不是Ewen做錯了，是H.van de Hulst他們發現他們哪裡沒有做對。

這時候在Ewen的同意下H.van de Hulst就給他老師打了個越洋電話，很貴的越洋電話，把這個技術告訴了荷蘭的團隊。

結果在一個星期之內，這個荷蘭的團隊就重複出了21釐米譜線的觀測實驗。

看到21釐米譜線，然後他們這兩個團隊非常高興地手拉著手，背靠背地在《自然》雜誌上發表了第一次看到21釐米譜線的這個論文。

這個也是21釐米譜線的這個發現的歷史。很不幸的是，在這之後Ewen和Purcell就沒有在射電這個方向繼續發展。

Purcell他本身是一個物理學家，在這個方向其實只是他的業餘愛好。那麼在1952年因為其他方向的發現他就獲得了諾貝爾獎。Ewen畢業以後就去了美國軍方。

但是荷蘭科學家，在這個方向上是繼續發展第二年他們組就首次利用21釐米譜線，做出了一個重大發現，發現了銀河系的旋臂結構。

通過21釐米譜線，能看到信號強的地方是呈旋臂狀的。因此我們就推斷出銀河系它的外圍是呈一個旋臂結構的。

這是21釐米譜線在射電天文學的第一次大發神威。那之後荷蘭科學家在射電天文學就一發不可收拾。

在今天，荷蘭是射電天文學的一個重鎮，順便說一句，在當時還有一個澳大利亞的天文學家也去訪問哈佛天文臺。

他通過間接的手段也知道了這個技術，但是他回國以後稍微慢一點，用了三個月時間去重複出他們的技術。

再之後他也繼續發展了這個射電天文，所以今天澳大利亞也是射電天文的一個重鎮。

觀測宇宙的困境

在今天這個射電天文利用21釐米譜線是一個非常重要也是非常常規的辦法，但是用21釐米譜線去看更早期的宇宙還是非常困難的。

第一個因素是我們人類自己的影響，就是我們人類生活中用到的這些手機、電視信號、收音機信號、對講機，這些我們叫它無線電波段，其實就是射電波段。

它會對射電天文的觀測造成極大的幹擾，所以我們今天很多射電的大望遠鏡都是在人煙稀少的地方。

比如說西澳大利亞的沙漠和南非的沙漠，我們中國新疆或者貴州。

當然還有一些比如說人很多，但是經濟不太發達的地區。比如說印度，即使在這些人很少的地方，射電環境已經很好的地方。

射電地面的無線電幹擾仍然是非常非常頭疼的問題。

因此我們想怎麼去逃離這些人類的幹擾呢？那我們就到月球上去。

其實你在月球面對地球的一方，你會發現這個幹擾還是很強，這是因為射電它的穿透力是很強的。所以最好的射電安靜的地方是在月球背面。

中國和美國都不約而同地去發展了這個在月球的背地點或者是繞月軌道的背地點，去做21釐米觀測的這麼一個實驗的計劃。

中國這個計劃叫做超長波天文觀測陣列，中國科學院國家天文臺陳學雷研究員領導的這麼一個團隊，並且還有中國科學院空間科學中心，它的很多技術人員做支持的。

這麼一個大的實驗計劃，即使我們能夠逃離出地球有一個東西仍然是逃離不了，就是銀河系。

很多科普說我們逃出銀河繫到其他星系去很難，那麼銀河系它的影響是逃避不了的。

來自銀河系中心，會有一個很強的同步輻射還有韌致輻射。它的強度大概是在幾千mK到一萬mK左右。

銀河系之外有很多射電星系和射電星系團它也會在這個波段造成影響，它的強度大概在800到1000mK的樣子。

來自於更遠的宇宙再電離時代21釐米信號也就是我們想看到的信號僅僅只有幾mK 。

因此你可以想像我們想看到這個來自宇宙再電離時代的21釐米信號需要克服大概3到5個數量級更強的一些，我們叫它前景汙染。

那麼這個探測難度，又好像安徒生童話裡面那個豌豆公主。

她睡在十層天鵝絨的被子上和褥子上還能夠被它底下放的一顆豌豆給硌疼了。

當然這個童話是想諷刺那個公主太嬌氣了，但是我們的21釐米觀測其實就是要這麼嬌氣的。

這麼靈敏的觀測手段、觀測儀器還有數據分析辦法，這樣才能我們通過3到5個數級，那麼強的前景汙染。

才能夠看到在它底下放的那一顆豌豆大小的信號，21釐米信號。所以它的觀測也是非常難的。

但是我們要有信心，這是全球所有科學家面臨的挑戰，我們未來是能夠解決這個問題的。那麼21釐米觀測呢？

它的觀測辦法一般分為兩種，一種是用單天線就用很簡單的單天線去探測21釐米信號，它的好處是非常小，非常便於移動。

它的壞處就是一個是它的解析度很低，不知道這個光是從哪裡來的。所以只能看到這個全天平均的這個21釐米信號。

隨著頻率變化的這個曲線，另外一種呢，就是如果我想提高它的解析度，那我就得增加這個天線的大小。

但這個天線大小是不太容易增加，它是有極限的。

所以人們想到的辦法就是把兩個天線之間兩兩做幹涉，那麼這樣就形成這種射電幹涉陣列，通過這種很大型的射電幹涉陣列，我們能夠提高解析度。

但是它的缺點是它的靈敏度降低了。

所以這種第一代的射電幹涉陣列呢，它原則上它的靈敏度只能測量這些信號的統計起伏。就是它的在統計上它的大小。

這段時間呢，這些實驗包括我們中國的21CMA是放在中國新疆，是由中國科學院國家天文臺的武向平院士領導的。

和其他實驗一樣很不幸第一代觀測實驗，它的靈敏度都不夠高。所以還沒有看到來自宇宙再電離時代的21釐米信號的統計起伏。

所以怎麼辦？那就造更大的望遠鏡。這樣子的話就需要國際合作。

未來的第二代射電幹涉陣列計劃有兩個，一個是中國參與的由14個國家一起合作的一個叫做平方公裡陣列望遠鏡SKA，這個耗資也是極其巨大的，大概有157億歐元的樣子。

另外一個實驗是美國主導的一個實驗，叫做HERA（英文），原則上這兩個實驗它的靈敏度都能夠在未來5到10年後，看到來自宇宙再電離時代的21釐米信號，它的統計起伏。

同時，SKA就是中國參與的這個實驗，它的靈敏度更高，它能夠看到來自再電離時代的圖像信息，那麼這個圖就總結了一下。

我們21釐米它信號原則上有平均信號，有統計起伏信號還有圖像信號。

這些信號，它各自有各自的特徵，那麼放在一起我們就能夠對宇宙從第一代星系的形成進入到宇宙的黎明，再到宇宙開始加熱，再到最後開始電離整個過程，有一個非常清晰的圖像。

我們能直接看到而不是猜測宇宙演化的整個歷史，下面我想做一個展望就是雖然我們還沒有看到來自宇宙黎明和再電離時代的21釐米信號。

但是這將是未來5年、10年甚至20年宇宙學發展的一個最重要的一個前沿。

這就好像上世紀七十年代到九十年代，宇宙微波背景輻射的發展極大地推動了宇宙學的發展，從中誕生了兩次諾貝爾獎一樣。

那麼在未來，對宇宙黎明和再電離探測的21釐米觀測也將能極大地推動宇宙學的發展，並且我們也有理由相信，能夠產生更多的諾貝爾級的成果。

最後是我的一些個人想法就是經常有人問我，你做這個研究的意義是什麼？我想這個最大的意義就是去回答一個重要的哲學問題。

就是人類，我們從哪裡來？我們是誰？我們到哪裡去？

那麼作為宇宙學家，我們要回答的重要的問題就是我們要去了解宇宙是怎麼起源

怎麼發展一直到今天的。

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