“刺探”宇宙最初10亿年

光山新闻网 采集侠 2023-08-10 13:05:02
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原标题:“刺探”宇宙最初10亿年

宇宙如何从黑暗走向光明?暗物质是“冷”还是“温”?宇宙在最初的10亿年经历了什么?这对于理解宇宙的奥秘非常重要。然而,由于宇宙的最初演化阶段是一片黑暗的,要想探测到这个时期的情况无比困难,现有的光学和红外望远镜都无能为力。那用什么来进行探测呢?氢原子的21厘米谱线几乎是目前已知的唯一的直接探测手段。利用它,科学家可以探索宇宙最古老的样子,拓展人类对宇宙的认知。

1.最初10亿年,宇宙如何从黑暗走向光明

宇宙如何从黑暗走向光明?这对于深刻认识星系和宇宙结构的形成和演化具有重要意义。

宇宙在年龄为38万年的时候,进入了“黑暗时代”。宇宙中除了来自宇宙微波背景辐射(CMB)的光子之外,没有其他发光天体。有的只是一片几乎均匀的暗物质和原子气体,其中气体以氢原子为主,氢约占四分之三质量,氦约占四分之一。

“黑暗时代”持续了大约一亿年左右。在这寂寞的一亿年里,暗物质在引力的作用下开始形成暗晕团块,原子物质也落入暗晕的引力势阱中进一步结团,最终最早的一批星系在暗晕中心诞生。

“宇宙黎明”开始了,星系的光开始照亮宇宙。

随着星系以及星系中的恒星和黑洞形成,恒星的紫外光子溢出星系,逐步电离星系际介质中的氢原子,同时恒星和黑洞产生的X射线也开始对星系际介质进行加热。最终,在宇宙年龄接近10亿年的时候,宇宙星系际介质中的氢原子几乎被完全电离。这一氢原子被发光天体再次电离的过程称为“宇宙再电离”。

那用什么来探测宇宙最初的10亿年呢?由于宇宙的最初演化阶段是一片黑暗的,光学和红外望远镜无能为力,要想探测到这个时期无比困难。事实上,宇宙第一代发光天体重新照亮宇宙的过程从未被人类有效探测到过。

目前,要想探测宇宙被第一代星系照亮的过程,氢原子的21厘米谱线几乎是唯一的直接探测手段。利用这个工具,可以探索宇宙最古老的样子,揭秘宇宙如何从黑暗走向光明。

氢原子的21厘米谱线又是什么呢?

氢原子可以在射电波段吸收或辐射光子,对应光子的波长约为21厘米,因此该谱线通常被称为“21厘米谱线”。简单来讲,在“黑暗时代”和“宇宙黎明”,氢原子气体比宇宙微波背景更冷,它们会从微波背景中吸收21厘米光子;在“宇宙再电离”时期,气体被加热,氢原子会发射21厘米信号。因此,如果以CMB光子为背景光源,我们就可以对这些21厘米谱线的信号进行探测。这些21厘米谱线吸收和发射信号会帮助我们理解宇宙的早期演化历史。

早期宇宙中氢原子的21厘米辐射的波长会随着宇宙的膨胀被拉伸得更长。例如,“宇宙再电离”时期的21厘米信号的波长在今天已经被拉伸到1.5~2.3米;“黑暗时代”对应的21厘米信号波长已在6.5米以上。因此,我们需要用低频射电天线来接收这些信号。

在“宇宙再电离”之后的时代,星系际介质中几乎已没有中性氢了,但宇宙中仍然存在大量的中性氢原子,它们都藏身于星系之中。在现代宇宙中,星系中的中性氢仍在不断地辐射21厘米谱线信号。如果可以用射电望远镜探测这些信号,那么就可以用21厘米谱线信号追踪星系。从宇宙学的角度来看,就有了一个利用射电手段测量宇宙大尺度结构的方法。

中性氢原子的21厘米谱线为我们探索宇宙提供了巨大的机遇。首先,为我们打开了观测宇宙的新窗口,让我们能够利用氢原子的21厘米谱线作为信号在射电波段对宇宙演化进行探测。其次,由于其在静止系波长(或频率)是固定的,波长的拉长程度自动就给出了源的红移,因此利用这种谱线巡天可以有效对宇宙的演化进行断层扫描。再次,理论上可以利用21厘米谱线对CMB形成以后的整个宇宙演化历史进行探索。

也就是说,在早期宇宙探索中,以CMB光子为背景光源,可以做两种21厘米谱线信号的观测,一个是全天平均频谱测量,一个是断层扫描测量。