再次突破：更接近130億年前，宇宙「黑暗時代」結束髮出的信號！

2020-10-18 博科園

仰望星空，感覺宇宙被繁星填滿了夜空。但是，當宇宙還處於初級階段時，宇宙中沒有恆星，沒有光源，整個宇宙黑漆漆的一片。現在一個國際科學家團隊比以往任何時候都更接近於探測、測量和研究宇宙初生時代的信號，自從那個沒有恆星的時代在大約130億年前結束以來，這個信號一直在宇宙中傳播。該團隊由華盛頓大學、墨爾本大學、科廷大學和布朗大學的研究人員領導。

其研究成果發表在《天體物理學》期刊上，研究人員將Murchison Widefield陣列收集的無線電發射數據提高了近10倍。研究小組成員目前正在搜尋這架位於偏遠西澳大利亞的射電望遠鏡數據，以尋找宇宙這個鮮為人知的「黑暗時代」信號。了解這一時期將有助於解決當今關於宇宙的主要問題。密西根大學物理學教授、團隊成員米格爾·莫拉萊斯(Miguel Morales)表示：

我們認為，這個時代的宇宙屬性，對第一批恆星的形成產生了重大影響，並啟動了後期宇宙的結構特徵。那個時代物質在宇宙中的分布方式，很可能決定了星系和星系團的分布方式。在一下這個黑暗時代之前，宇宙是熾熱而稠密的。電子和光子有規律地相互纏繞，使宇宙變得不透明。但當宇宙的年齡不到一百萬年時，電子-光子相互作用就變得罕見了。不斷膨脹的宇宙變得越來越透明和黑暗，開始了宇宙的黑暗時代。

沒有恆星的時代持續了數億年，在此期間，中性氫原子主導了宇宙。在宇宙的黑暗時代，沒有基於光的信號可以研究來了解它，整個宇宙都沒有可見光！但有一個特定的信號我們可以尋找，這個信號來自中性氫。雖然從未測量過這個信號，但天文學家知道它就在那裡，而且很難探測到，因為自從這個信號發出130億年來，宇宙已經變得非常繁忙，充斥著來自恆星、星系的其他活動，甚至是人類的技術，淹沒了來自中性氫的信號。

研究團隊尋找130億年前的信號是電磁波發射，中性氫在21cm的波長上發射。自那時以來，宇宙一直在膨脹，將信號波長延伸到近2m。這個信號應該包含關於黑暗時代和結束事件的信息。當宇宙只有10億歲的時候，氫原子開始聚集並形成第一批恆星，結束了黑暗時代。來自第一批恆星的光開啟了一個新紀元（再電離時代），來自這些恆星的能量將大部分中性氫轉化為電離等離子體，直到今天，等離子體仍然主導著星際空間。

再電離時代和之前的黑暗時代，是理解宇宙特徵的關鍵時期，比如為什麼我們有一些區域充滿星系，而另一些區域相對空曠，物質的分布，甚至可能是暗物質和暗能量。Murchison陣列是研究的主要工具，這個射電望遠鏡陣列由4096個偶極天線組成，可以捕捉到像中性氫電磁特徵這樣的低頻信號。但是，由於來自宇宙中其他來源的電磁「噪聲」，包括星系、恆星和人類活動，這些低頻信號很難被探測到。但研究人員開發出越來越複雜的方法來過濾這種噪音，並使它們更接近那個信號。

研究已經從超過21小時的Murchison Array數據中過濾出了電磁幹擾，包括來自人類各種無線電廣播的電磁幹擾。往前看，該團隊有大約3000小時射電望遠鏡陣列收集的額外數據。研究人員正試圖過濾掉幹擾，進一步接近中性氫發出難以捉摸的信號，以及它能照亮的黑暗時代。

博科園｜研究/來自：華盛頓大學

研究發表期刊《天體物理學》

DOI: 10.3847/1538-4357/ab55e4

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