消失的宇宙黎明

作者: Takeko

来源: 微信公众号文章搜索助手

发布日期: 2022-03-05

文章讨论了宇宙黎明的概念及其研究进展,特别是关于EDGES和SARAS实验的发现和挑战,以及对早期宇宙中第一批恒星诞生的探索。

我们对早期宇宙发生的事情仍然知之甚少。目前主流的共识是,宇宙大爆炸之后的很长一段时间里,在最早的恒星诞生之前,宇宙一直保持着中性且黑暗的状态,也就是宇宙的黑暗时期。直到第一批恒星出现,宇宙才真正迎来了“黎明”。但是,宇宙黎明到来的时间仍然是个谜。

大爆炸会产生电子和质子。随着宇宙的膨胀和物质的冷却,在大爆炸约38万年后,电子和质子会结合形成中性氢(即复合时期)。在引力的作用下,氢会聚集坍缩形成第一批恒星和星系,这一时期被称为“宇宙黎明”。

2018年,宇宙学界出现了一场不小的轰动事件。来自EDGES的天文学家报告称,他们发现一个特定频率的射电波比来自夜空的其他波明显要暗得多,这被解读为“宇宙黎明”在光谱中留下的特征,也就是大爆炸后第一批恒星诞生的突破性信号。这是许多天文学家梦寐以求希望看到的。

近日,一组研究团队公布了他们最新的搜索结果。非常遗憾的是,结果是否定的,他们没有找到之前出现的那种信号。团队已于近日将结果发表在《自然·天文学》上。

宇宙黎明的特征来自可观测宇宙中最古老的恒星的光线必须经过一百多亿年的旅行才能到达地球,这太遥远了,普通的望远镜完全无法直接观测。为了寻找宇宙的第一缕星光,射电天文学家一直在利用射电波频谱寻找一种间接的影响。

EDGES天线。| 图片来源:Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation

2018年,研究人员在澳大利亚内陆使用一个类似咖啡桌的仪器,它被称为EDGES(检测再电离时代的全局特征实验),报道了原始射电频谱上出现的这样一处凹陷。团队认为,这就是宇宙黎明的特征信号。

但是EDGES的信号似乎是个“过分好”的东西了。频谱中的凹陷比理论预测的更深、也更广。这处凹陷出现在波长4米左右的位置,并不是理论学家所预期的位置。如果这是真的,它说明第一批恒星出现得比预想的早得多,而之后X射线很快便充斥了整个宇宙。更奇怪的是,这处凹陷非常显著,表明早期宇宙中的氢比理论模型预测的要冷。

来自宇宙黎明的氢21厘米发射到达地球的波长为数米,这恰好在调频广播和电视广播的范围内,排除人类活动的无线电频率的干扰是探测的首要任务之一。为此,研究人员在地球上一些最偏远的角落架设了天线。

在这项新的研究中,研究团队采用了一种史无前例的方法,他们决定让仪器漂浮在印度的湖面之上。这台被称为SARAS(背景射电频谱的异形天线测量)的天线呈圆锥形,这让它对射电波的反应更易计算,而它下面的水则意味着科学家不用处理不确定的地形结构和射电特征,让处理数据时对环境的建模更加方便。

虽然这一结果有些令人失望,但大多数天文学家都认为,下定论还为时尚早。总的来说,无论就仪器校准还是分析手段等方面而言,EDGES和SARAS都称得上是极其缜密周全的实验,因此现阶段简单地说谁对谁错都太草率了。

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