21 厘米宇宙学：填补宇宙空白的记忆 | 赛先生天文

宇宙图集的空白页。（图片来源：Avi Loeb，《科学美国人》，2006年11月刊)

茅奕（清华大学天体物理中心）

宇宙演化的历史就像一本用隐形墨水印刷的图集：人类现在有幸看到了宇宙神秘的开篇（即宇宙物质分布的初始状态）和精彩的现状，但是中间漫长的演化历史对我们来说仍然是空白。人类只能通过演绎法推测中间的过程。21厘米谱线观测就好像是显形灯，让那些空白页露出庐山真面目，人类将可以直观地翻看宇宙波澜壮阔的演化图集。这一天离我们已经不远了。

01

21 厘米谱线的发现

我们先讲个小故事吧^[1]。历史上，谱线大多是先在太阳的光谱中发现，然后在实验室里找到对应的元素，最后在理论上得到解释的。21 厘米谱线大概是唯一一条先有理论预言后有天文观测的谱线。这段历史还要回溯到二十世纪三十年代，那时人们注意到存在一些以天为周期变化的无线电波“咝声”，它们来自银河系中心。荷兰莱顿天文台的简·奥特（Jan Oort）敏锐地意识到，如果光谱中存在射电波段的发射线，将对天文学是巨大的推动。他将寻找这条谱线的任务交给了他的学生亨瑞克·范德赫尔斯特（Hendrik van de Hulst）。后者于1944年发表了一篇论文，在理论上预言了21 厘米谱线的存在，可他在论文里也怀疑到底能不能观测到。但是，本着“自己挖的坑，含着泪也要填完”的精神，这些荷兰天文学家在奥特的领导下开始进行天文观测中的寻找，然后......很不幸，他们暂时没有然后了^[2]。

左图：伊文与他建造的号角状接收天线；右图：现保存于美国国家射电天文台的号角状接收天线 。（图片来源：美国国家射电天文台网站）

几年后，在大西洋彼岸的美国哈佛大学，爱德华·帕塞尔（Edward Purcell）和他的学生哈罗德·伊文（Harold Ewen）也开始打21 厘米谱线的主意。这两位美国人天真地认为悲观的荷兰人可能不会真的去找这条线。说干就干，帕塞尔负责拉钱，马上从美国艺术与科学院申请到了一笔500 美元的经费——放到今天大约相当于5000 美元，（剧透一下）但是它带来的科学回报将是巨大的！这笔钱全部用来造了接收天线、波导和电子配件，而人工当然就是伊文先生来出了，那时候他还不是博士。事实上，当时他的全职工作是为哈佛大学一个新的回旋加速器设计建造组件，因此他只能用业余时间在帕塞尔的指导下建造观测21 厘米谱线的天线，以此作为博士论文的工作。不得不说，哈佛实验组要钱没多少钱，要人没多少人，连竞争对手的敌情都完全搞错了，这要能先搞出来还有天理吗?！但是帕塞尔和伊文有传说中的主角光环——他们从一开始就找对了技术！他们建的接收天线虽然丑，但是用了当时天文界最潮的频率切换技术用以消除背景噪音。于是，1951年3月25日，从收到那500 美元起的一年后，伊文和帕塞尔第一次成功地观测到了来自银河系的氢原子21 厘米发射线！如果考虑到伊文主要利用周末做这个项目，他实际的工作时间只有3个多月！ 

这种逆天开挂的事情放到今天，一定要抓紧抢先发大论文。但是哈佛实验组却很淡定。当时范德赫尔斯特正好在哈佛天文台学术休假。在帕塞尔的建议下，伊文在4月中拜访了范德赫尔斯特并告诉了他实验结果。后者震惊之余，会面当场就给奥特打了国际长途。接下来的事情更加令人大跌眼镜，伊文在电话里竟然用了一个小时给奥特详细讲解了那个叫做频率切换的核心技术。荷兰人挂了电话，马上改用伊文的技术，于是很快地在5月11日也成功观测到了那条已经找了几年的谱线。最后，美国组和荷兰组手拉手在1951年同一期《自然》杂志上发表了结果。

顺便说一句，在会面中，不仅范德赫尔斯特震惊了，伊文也震惊了，因为伊文第一次知道原来荷兰人已经辛苦工作了好几年。后来，他回忆说：“如果我们早知道的话，就不会去尝试了。”看来有时候信息稍微不通畅一点反而对科学进步是好事。

说句题外话，哈佛实验组这么淡定也许是有原因的。帕塞尔是个经历过科学发现大场面的人。第二年（1952年），他因为发展了利用核磁共振测量磁场的技术而与费·布洛赫（Felix Bloch）分享了诺贝尔物理学奖。也许对于他而言，21 厘米谱线的发现只是人生中自己掀起的许多科学浪花中的一朵而已，而他和伊文在这之后也离开了射电天文领域。但是无论如何，帕塞尔和伊文在射电天文领域工作的这3个多月推开了人类观测星系和宇宙的一扇全新的窗口。奥特、范德赫尔斯特、帕塞尔和伊文对于21 厘米谱线的开创性工作绝对是诺贝尔级别的贡献。

02

什么是21 厘米谱线？

那么到底什么是21 厘米谱线呢？我们通常说氢原子的基态能量是-13.6 eV，但是如果你把以1 eV为单位的能级图放大一百万倍，你会发现氢原子的基态其实是两条能级！由于氢原子核自旋与电子自旋之间有微弱的耦合作用，两个自旋平行的状态比反平行的状态要有稍微多一点点的能量。氢原子在这两条非常接近的能级之间的跃迁会发出或吸收一个波长在21 厘米（对应频率是1.4 GHz）的光子，在光谱中留下21 厘米发射线或吸收线。

21 厘米谱线在实验室里是很难看到的，因为它的自发跃迁几率实在是太低了。在没有外界影响下，氢原子处在自旋平行的高能级上的平均寿命为一千万年。在宇宙中，物质的密度是相当低的，比如在银河系的旋臂内，氢原子密度为每立方厘米1到10个，在旋臂间（即星际）为每立方厘米0.1个，而在星系之间的广袤空间里就更低了，大约每立方厘米只有1/10¹⁷个氢原子。但是宇宙实在是太大了，即使在星系之间的稀薄气体里，一立方光年这样“小”的体积里也能有10⁴⁷个氢原子，21 厘米谱线自发跃迁可以每秒发生10³²次，足以使我们观测到这条谱线。

当核自旋或电子自旋反转时，氢原子降为低能态并发出一个波长为21 厘米的光子。（图片来源：R. Nave and Hyper Physics,Georgia State University）

那么为什么21 厘米谱线能成为揭秘宇宙演化历史的显形灯呢？有三个原因。第一，21 厘米发射线需要的能量实在是太小了。即使在几十K的低温里，氢原子也能通过碰撞或者其它机制形成高、低能级的粒子数反转，从而发出21 厘米谱线。这就是传说中的“给点阳光我就灿烂，给点希望我就发光”，21 厘米谱线真是谱线家族里当之无愧的小强。第二，由于21 厘米跃迁几率实在太小了，辐射在传播途中被尘埃吸收的几率也同样很小，或者说宇宙对21 厘米谱线几乎是透明的。因此我们可以接收到来自宇宙极端深处在非常古老的年龄时发出的21 厘米谱线。第三，由于宇宙膨胀，今天收到的21厘米谱线的波长与发出时的波长相比，前者被宇宙膨胀拉长了，即宇宙学红移，而拉长的倍数与发出谱线时的宇宙年龄有一一对应的关系。比如，距今天80 亿年的宇宙发出的21 厘米谱线在今天接收时的波长是42 厘米，被拉长了一倍。这有个好处，宇宙不同时期发出的21 厘米谱线会出现在光谱的不同波长处，原则上互不干扰。总结一下，因为宇宙从古至今都富含氢原子组成的气体，21 厘米发射线会从宇宙的不同时刻、不同地点发出，我们可以根据接收到谱线的频率、在天球上的角坐标和谱线强度推算出宇宙在过去不同时间和位置上的物理信息。

03

宇宙空白的历史

第一代星系和宇宙再电离时代的示意图。（图片来源：Avi Loeb, 《科学美国人》, 2006年11月刊）

21 厘米谱线被发现后马上就在射电天文观测上得到了广泛的应用。比如，1952年，21 厘米谱线观测第一次绘出了银河系内的中性氢分布图，从而发现了银河系的旋臂结构。此外，射电天文学家利用21 厘米谱线的多普勒红移效应测量气体云团的视向速度，利用塞曼效应测量星系内的磁场，等等。但是21 厘米谱线在宇宙学上的应用才刚刚开始。那么宇宙演化历史中到底有哪些未解之谜等待着21 厘米谱线观测大显身手呢？

我们知道，宇宙在膨胀过程中，温度也随之下降。大约宇宙在38 万年的时候，宇宙的温度不足以维持氢原子核（即质子）和电子处于电离状态，从而它们结合形成了中性氢（即氢原子）。伴随这个过程，宇宙对背景光子变得透明，背景光子经过漫长的137 亿年的自由传播后到达地球，这就是著名的宇宙微波背景辐射，现在的温度是2.7 K。从宇宙38万年后很长一段时间，宇宙中还没有产生恒星，也就没有星光，而宇宙里的气体也是很冷的，只有一百到几千K，无法出现光学波段的辐射。因此这段时间被称作“黑暗时代”。那么黑暗时代的宇宙完全无法探测吗？不是，别忘了21 厘米谱线这个小强，别说几百K的低温，再低的温度也可以有！

宇宙再电离时代的21 厘米谱线的三维图像和电离泡示意图。（图片来源：Avi Loeb，First Light，2006，Springer Verlag出版。）

等到宇宙几亿岁的时候，终于迎来了第一代恒星和它们组成的第一代星系的诞生。黑暗时代终于要结束了。恒星发出的紫外光子和X射线光子有一部分逃逸出星系，它们的能量高于氢原子的电离能13.6 eV，电离了星系周围的中性氢，形成一个个泡状电离氢区域（“电离泡”）。这些电离泡内部不断孕育出新的恒星，因而有越来越多的电离光子推动电离区域膨胀。电离泡随后会相互接触发生并合，最后大概在宇宙十几亿年的时候贯穿整个宇宙。星系之间的气体里的氢元素由中性态变为电离态的这个转变时期被称为“宇宙再电离时代”。这个过程可以完美地通过21 厘米谱线观测出来：中性氢区域发出21 厘米信号，而电离泡在21 厘米图像里就像瑞士奶酪里的空洞。由于不同时刻发出的21 厘米谱线受到不同程度的波长拉长，因此利用接收到的频率和天球角坐标可以定位出中性氢的三维坐标以及对应的时间，从而能直观地看到它随时间的演化历史！

当宇宙再电离完成以后，星系之间的气体里中性氢只占氢元素的一万分之一以下。但是在星系内部由于物质密度很高，电离氢有很大几率俘获自由电子复合成中性氢，因此星系内部的中性氢丰度不低，可以产生足以被观测到的21 厘米发射线。这些21 厘米谱线的强度与星系所在的暗物质晕的质量有关。一般认为，21 厘米谱线强度的大尺度分布基本追巡了宇宙物质分布的大尺度结构。

总结一下，21 厘米谱线的观测在黑暗时代揭示了宇宙早期物质分布的初始状态，在宇宙再电离时代再现了中性氢到电离氢的演化过程，在宇宙近期包含了宇宙物质大尺度分布的信息。到今天为止，天体物理学家对宇宙早期的微波背景辐射和离我们比较近的星系分布都已经有了很好的观测，相当于我们把宇宙演化这个图集的第一页和最后几页都看得很清楚了，但是21 厘米谱线观测将为我们讲述从黑暗时代、宇宙再电离时代及其之后的时期里宇宙发生的精彩故事并提供宇宙演化的立体画面。这是我们了解宇宙无可替代的工具。

04

21 厘米宇宙学观测的现状及未来

21CMA望远镜的天线阵列。（图片来源：中国科学院国家天文台网站）

21 厘米宇宙学就是用21 厘米谱线去研究宇宙演化历史的宇宙学分支。做为一个新兴的方向，无论是理论还是观测，它都还处在萌芽期。由于来自宇宙再电离时代的21 厘米信号非常微弱，望远镜需要有很大的接收面积和很高的角分辨率，因此满足这两个条件的望远镜都采用综合孔径技术，即用许多小天线集成庞大的综合孔径射电干涉望远镜阵列。

世界上最早开展的宇宙再电离时代的21 厘米谱线观测实验是由我国国家天文台武向平院士领导的“宇宙第一缕曙光”（21CMA）实验，在新疆乌拉斯台地区建成射电天线阵列，于2006年开始收集数据。随后，国际上建造了一系列射电干涉阵列望远镜，用来观测再电离时期的21 厘米谱线，这包括美国科学家领导的位于澳大利亚的“默奇森宽场阵列”（MWA）望远镜、位于南非的“探测再电离时代精密阵列”（PAPER）望远镜、位于美国新墨西哥州的“长波长阵列”（LWA）望远镜，由印度和加拿大科学家领导的位于印度的“庞大米波射电望远镜”（GMRT），和由欧洲科学家领导的位于荷兰的“低频阵列”（LOFAR）望远镜。遗憾的是，所有这些第一代望远镜的精度都不够高，到目前为止，都还未能探测到来自宇宙再电离时代的21 厘米统计信号。这没关系，科学的发展从来都不是一帆风顺的。想想LIGO实验经历了多少次升级才最终第一次成功地直接探测到了引力波，宇宙再电离时代的21厘米观测实验才刚刚开始呢！

 SKA望远镜低频波段阵列。（图片来源：SKA网站)

目前，第二代射电望远镜已经在积极筹划准备中。“平方公里阵列”（SKA）望远镜是个多用途的射电干涉阵列望远镜，目前由九个成员国（包括中国）组成的国际合作组织进行建设，分为两期工程，计划最终建造的望远镜的总接收面积为一平方公里。到时，SKA将是世界上接收面积最大的射电望远镜。SKA望远镜的低频阵列将放置在澳大利亚西部人烟稀少的地带，计划在2020年完成一期工程后开始收集数据。到时，SKA一期望远镜将有望从统计观测量上探测到来自宇宙再电离时代的21 厘米信号。而SKA二期望远镜计划在2030年完成，到时，将有望直接对这个时期的21 厘米信号进行高精度的图像扫描，绘制出宇宙再电离时期的中性氢分布图。除了SKA，美国科学家也正在领导建设一个位于南非的“氢原子再电离时代阵列”（HERA）望远镜。HERA预计也能在2020年左右完成建设开始观测，其精度与SKA一期望远镜相似。

“天籁”项目射电天线阵列。（图片来源：天籁项目网站。）

除了观测来自宇宙再电离时代的21 厘米谱线，科学家们也正在开展实验用来观测来自宇宙近期的21 厘米谱线，因为这个时期的21 厘米谱线追踪了星系分布的大尺度结构。目前国际上正在开展四个大型实验，包括我国国家天文台陈学雷研究员领导的“天籁”项目、加拿大科学家领导的“加拿大氢原子强度映射实验”（CHIME）、英国科学家领导的“中性气体重子声波震荡观测”（BINGO）实验，和南非科学家领导的“氢原子强度实时分析实验”（HIRAX）。相信它们在今后几年将成功地展示宇宙近期在21 厘米射电波段的大尺度图像，从而更精确地限制宇宙学模型。

05

21 厘米宇宙学的展望

目前最成熟的宇宙学方向是宇宙微波背景辐射，但是它的发展也经历了一个缓慢的准备期。直到1989年美国“宇宙背景探测器”（COBE）实验卫星升空后成功地探测到微波背景辐射里极其微弱的温度涨落（对应于宇宙早期物质分布的微弱的不均匀性），宇宙微波背景辐射这个领域才开始了理论和实验上的大发展，又经历了大约二十五年才达到今天的成熟状态。美国科学家约翰·马瑟（John Mather）和乔治·斯穆特（George Smoot）也因为在COBE实验上的开创性贡献而获得了2006年的诺贝尔物理学奖。

从发展空间上讲，今天的21 厘米宇宙学研究就像COBE升空前的宇宙微波背景辐射研究，还处在方兴未艾的阶段。无论从理论还是观测上，21 厘米宇宙学都有很多的问题要解决。然而，一旦获得观测上的突破，（个人预计在2020年左右SKA一期或HERA望远镜开始观测后），21 厘米宇宙学将迎来激动人心的大发展阶段。从长远前景上看，21 厘米谱线观测有潜力将目前通过宇宙微波背景辐射得到的宇宙学模型限制精度提高一个数量级以上。到那个时候，我们不仅能够在数学上建立更精确的宇宙起源及演化模型，而且能够直接观测到宇宙演化中目前不清楚的部分——黑暗时代和宇宙再电离时代，从而直观地揭开宇宙演化的奥秘。

注释及引用

[1] 本小节部分故事情节采用了美国国家射电天文台网站上关于这段历史的介绍(http://www.nrao.edu/whatisra/hist_ewenpurcell.shtml)，此介绍是基于伊文的个人笔记。

[2] 据说荷兰实验组落后的部分原因是一场火灾把他们的设备烧掉了......

作者简介

茅奕：在北京大学物理系获学士学位，在美国麻省理工学院获物理学博士学位，其后在美国德州大学奥斯汀分校天文系和法国国家科学研究院巴黎天体物理研究所从事博士后研究，2015年就职于清华大学物理系，任助理教授。主要研究方向是21厘米宇宙学、宇宙再电离时代和黑暗时代的理论、数值模拟及数据分析技术。

延伸阅读④ 距离阶梯和宇宙膨胀（二）——哈勃常数的测量 | 赛先生天文

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