“刺探”宇宙最初10亿年(3)

然而，早期宇宙结构形成的加热效应会轻易抑制“21厘米森林”信号，使探测变得非常具有挑战性——信号对温度很敏感，一旦加热比较严重，信号就会很容易被埋葬到噪声中，以致于很难测到。

更棘手的是，暗物质的性质和“宇宙黎明”的加热过程同时影响信号，二者的效应难以区分。因此，我们面对着双重的难题，一是弱信号如何提取的问题，二是暗物质效应与宇宙加热效应难以区分的问题。

该如何来破解这些技术难题呢？有科学家提出用增加观测时间的方法来解决弱信号提取问题。这是因为，对于明亮的高红移类星体，观测时间增加到1000小时，非常弱的信号也有可能被提取出来。

即便有诸多优点和不可替代性，“21厘米森林”也是一个非常冷门的宇宙学探针。现实中根本不可能有任何射电望远镜会给这样一个观测项目如此多的观测时间。这也是为何这一方法被提出20年来还没有付诸实施的主要原因。

3.一石二鸟，我国科学家提出“21厘米森林”观测新方法

不过，东北大学和国家天文台的联合研究组最近在《自然-天文》发表了一项重要成果，解决了“21厘米森林”方法面对的难题，使得这项观测有潜力同时测量暗物质粒子质量和宇宙黎明的加热历史，从而帮助阐明暗物质的本质和宇宙第一批星系的性质。

这项研究提出了一个新颖的统计解决方案，通过测量“21厘米森林”的一维功率谱来同时解决弱信号提取问题和简并问题。

在频率空间中，宇宙加热很容易使信号幅度降低而被埋葬到噪声中难以探测。但是，信号和噪声的尺度依赖性是完全不同的，噪声在不同尺度上没什么差别，而信号代表着不同尺度的结团情况，二者区别明显。

因此，如果实施统计分析，把时间频率测量转换为空间频率测量，那么在新的空间中信噪比即可显著提升，而信号的统计特征也可随之浮现。

特别是暗物质效应和宇宙加热效应对“21厘米森林”统计特征的影响是完全不同的，如此一来，就可以通过该分析同时测量这两种效应。

我们借助高动态范围的跨尺度建模，模拟了“21厘米森林”的观测，从而进一步利用模拟数据开展贴近实际观测的数据分析研究。假设一个合理的观测时间，例如100小时，将观测时间分成两半，两次测量的结果做交叉相关。对于信号来说，这就是自相关测量，而对于噪声来说，交叉相关将可对其进行抑制。这样的测量方法极大地提升了探测的灵敏度。

模拟测量的结果表明，通过一维功率谱的幅度和形状，将可以同时对温暗物质和宇宙加热效应进行测量。在宇宙加热程度不高的情况下，第一阶段的SKA低频阵将可以很好地测量到一维功率谱，而且有能力探测至较小的尺度；在宇宙加热程度较高的情况下，如果有多个背景射电源可用，则用第二阶段的SKA低频阵仍可实现较好的探测。

测量“21厘米森林”的一维功率谱不仅可提高灵敏度，从而使探测成为可能，还提供了区分暗物质效应和早期宇宙加热效应的方法——对于暗物质粒子质量的限制，“21厘米森林”在高红移处提供了一种可行的探测手段，探索了其他观测无法触及的尺度和红移范围。通过测量宇宙加热水平，“21厘米森林”提供了限制第一代星系和第一批黑洞特性的方法，从而帮助揭示宇宙中第一批发光天体的性质。

这项研究清晰地展示了“21厘米森林”的一维功率谱确实可以成为一石二鸟的宇宙学探针，帮助推进我们对早期宇宙的理解，并为窥探暗物质和第一代星系的奥秘提供了极有前景的新途径。