尋找宇宙「黑暗時代」

2020-12-05 媒體同分享

的終結根據最廣泛接受的宇宙學理論,宇宙中的第一批恆星是在大爆炸之後幾億年形成的。不幸的是,由於天文學家的出現恰好是在被稱為「黑暗時代」的宇宙學時期之際,他們一直無法「看到」它們。在這個大約130億年前結束的時期中,氣體雲瀰漫著整個宇宙,使可見光和紅外光變得模糊。但是,天文學家已經知道,來自這個時代的光可以被檢測出微弱的無線電信號。出於這個原因,我們製造了諸如Murchison Widefield Array(MWA)之類的射電望遠鏡。一個國際研究人員小組使用去年通過該陣列獲得的數據,搜尋早期宇宙中迄今為止最精確的無線電數據,以試圖確切地了解宇宙「黑暗時代」何時結束。正如他們在去年發表在《天體物理學雜誌》上的研究中所指出的那樣,該團隊已經成功地從MWA收集的超過21小時的數據中濾出了十倍的電磁幹擾(與正常水平相比)。配備了這些經過大幅度改進的數據後,該小組現在正在全部搜索以尋找源自「黑暗時代」的無線電信號的典型指示。

當前的宇宙學模型告訴我們,在大爆炸之後不久,宇宙就充滿了熱密集的等離子體。在此期間,電子和光子經常互相吸引,這使宇宙變得不透明。不到一百萬年後,電子與光子的相互作用變得罕見,並且不斷膨脹的宇宙變得越來越透明。但是,此時仍然沒有恆星或星系,這使宇宙變得黑暗。在接下來的幾億年中,事物將保持這種狀態,宇宙中充滿了中性氫(帶有一個質子和一個電子的氫原子,不帶任何總電荷)。在大爆炸之後大約十億年,中性氫原子開始聚集形成第一批恆星,從而開始了電離時代,並結束了「黑暗時代」。隨著第一批恆星的形成,它們發出的光和輻射將宇宙中的許多中性氫轉化為電離等離子體,該等離子體如今仍佔據著星際空間的主導地位。不幸的是,很難分辨出何時發生這種轉變,因為在涉及現有儀器的情況下,可見光和紅外(熱)波長的電磁輻射根本不可見。

該信號對應於氫從中性變為帶電荷的頻率和波長。也稱為「氫線」,在無線電頻譜上的21 cm(1,420.4 MHz)處發現了該邊界。在太空中找到這些信號是確定第一批恆星何時形成以及黑暗時代何時結束的關鍵,從而為天文學家提供了有關宇宙演化的重要線索。

位於澳大利亞西部的射電望遠鏡Murchison Widefield Array也是該小組搜尋這些信號的主要手段。該陣列由4,096個偶極天線組成,可以拾取低頻信號,例如中性氫的電磁信號。由於來自其他宇宙(或地球約束)源的電磁幹擾,這些信號很難分辨。

為了消除這種背景噪聲並提高檢測的機率,Morales和他的同事們開發了越來越複雜的方法。這包括引入六角形核和偽隨機基線的冗餘子陣列,以及改進的分析技術,數據質量控制方法和幹涉儀校準方法。

如果他們成功了,天文學家將最終了解宇宙最早的時期。隨著世界範圍內日益複雜的射電望遠鏡陣列的出現,這將使天文學家和宇宙學家能夠測試他們關於我們宇宙演化中主要事件如何以及何時發生的理論。

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    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。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。
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