婴儿宇宙是啥样？21厘米信号揭开早期宇宙的秘密

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原文作者：Davide Castelvecchi

射电天文学家通过氢来寻找宇宙最初十亿年的线索。

要想知道从地球看宇宙是什么样子，可以想象一个大西瓜。我们的银河系是西瓜中央的一颗瓜子，它周围的空间，也就是粉红色的瓜瓤上散落着无数其他瓜子。这些也是我们——中间的那颗瓜子上的住民——通过望远镜能看到的东西。

西澳大利亚默奇森广角阵列（Murchison Widefield Array）的局部夜景。来源：Dr John Goldsmith/Celestial Visions

因为光速是有限的，因此我们看到的都是过去的星系。西瓜里离中心最远的瓜子是至今为止看到的最早出现的星系，当时宇宙的寿命只有现在的十三分之一——现在宇宙的寿命是138亿年。离它们更远的，也就是薄薄的绿色瓜皮上，就是恒星出现之前的原始之物。这一层代表着只有38万岁的宇宙，仍然是一锅温热明亮的亚原子汤。我们知道这段时期存在，是因为它的光线仍然在空间中传播——不过，它在漫长的岁月里已经扩散了很远，现在已经变成了叫做微波辐射的微光。

可观测宇宙中最神秘的部分是西瓜的另外一层，在绿色瓜皮和粉色瓜瓤之间的部分。这代表了宇宙最初十亿年的历史。天文学家只看到了这段时期里的很少几个特别亮的星系和其他天体。

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但这也是宇宙变化最为剧烈的时期。我们知道这个转变的结果——毕竟我们现在就存在于这里——但是不知道到底怎么发生的。最早的恒星如何产生的？什么时候产生的？看起来是什么样？黑洞在星系的产生上起到了什么作用？比普通物质重得多，又被认为塑造了宇宙演变的暗物质，其本质是什么？

一系列大大小小的射电天文学项目正在试图描绘这一未知之境。天文学家们有一个简单的信息源——氢原子放射和吸收的一个单一孤立的波长。氢是大爆炸之后普通物质里占绝大比例的元素。为了努力探测到这一细微的信号——氢光谱中波长21厘米的一条谱线，天文学家们在世界上最偏远的地方架设了灵敏度越来越高的天文台，其中包括青藏高原上一个湖泊中的木筏，以及加拿大北极圈内的一个岛屿。

去年，澳大利亚内陆一个简单得可疑的天线——其真身是宇宙再电离信号探测实验（EDGES）——可能首次在最早的恒星周围看到了原初氢的线索¹。其他实验也很快就要达到描绘原初氢——继而早期宇宙——三维图像所需要的灵敏度了。现在，这是“宇宙学的最后一块边陲”，哈佛-史密松天体物理中心的理论天体物理学家Avi Loeb说。这是一把钥匙，可以解开一片无形均质粒子如何演变成为恒星、星系和行星的谜团。“这是我们的创世纪——我们的来源中的一环。”Loeb说。

一条细线

大爆炸之后大约38万年，宇宙中主要由质子和电子构成的汤已经膨胀冷却到能够形成原子的程度了。当时普通的物质中氢占了绝对多数，但它在电磁谱中的大多数频率上都不会放出或吸收光子。因此，它几乎是隐形的。

但是氢里面唯一的一个电子是个例外。当电子在两个自旋方向间变化的时候，就会放出或吸收一个光子。这两个状态的能量几乎完全一样，因此光子产生的变化也很小。因此，这个光子会有相对较低的电磁频率，即相当长的波长，略大于21 cm。

20世纪50年代，正是氢的这个标记揭示了银河系的螺旋结构。20世纪60年代末，现在在德国马克斯·普朗克天体物理研究所任职的苏联宇宙学家Rashid Sunyaev等人首先意识到这条线还可以用来研究原初宇宙。由于宇宙膨胀导致的红移，今天这些21 cm的光子的波长变到了1.5到20米之间——对应大约15-200兆赫兹（MHz）。

Sunyaev和他的导师（已经去世的Yakov Zeldovich）考虑过使用原初氢信号来检验早期的一些宇宙起源理论。但是，他告诉《自然》杂志，“当我去找射电天文学家的时候，他们说‘Rashid，你疯了！我们不可能观测到这个的。’

对早期宇宙再电离时期的模拟。新星系周围已经电离的物质（亮蓝色）不再会放出波长21厘米的辐射。仍在放出21厘米辐射的中性氢原子则显示为黑色。来源：M. Alvarez、R. Kaehler和T. Abel/ESO。

问题在于，氢谱线红移到无线频段之后，会变得非常弱，因此看起来根本不可能从银河系以及人类活动所散发出的嘈杂无线信号中分离出来——包括FM无线电台和汽车的火花塞都会散发出这种信号。

使用21cm的光子为早期宇宙绘制地图在之后的三十年中只获得了很少的关注，但是过去几年的技术进步让这项技术变得现实起来。无线检测的基础没有变；很多射电望远镜都是用塑料管和丝网这样的简单的材料制造而成。但是，望远镜的信号处理能力强大得多了。原本为游戏机和手机所开发的消费电子部件，现在让天文台能够以相对小的投入来处理巨量数据。与此同时，理论宇宙学家也为21厘米宇宙学构建出了更为详细可信的愿景。

黑暗与黎明

当大爆炸产生氢原子之后，宇宙中唯一的光只有现在地球上能看到的一种全方向的长波辐射，它被称为宇宙微波背景（CMB）。大约140亿年前，大爆炸所产生的余晖在人类眼中看起来应当是统一的橙色。然后天空会逐渐变红，随之缓缓陷入完全的黑暗。那里没有任何能产生可见光的物质，而背景辐射的波长会不断向红外甚至更长的频段移动。宇宙学家将这一时代称为黑暗时代。（见图“地球视角下的早期宇宙”）

图片：Nik Spencer/Nature，改编自 J. R. Pritchard & A. Loeb Phys. Rev. D 82, 023006 (2010).

理论学家逐渐意识到，宇宙的演化会在充斥其中的氢身上留下三种不同的痕迹。第一个事件是大爆炸后500万年左右开始的，那时氢已经足够冷却，使得吸收的背景辐射比放出的要多。这段时期的证据今天应当可以在CMB谱中探测出来，即某个特定波长上的强度衰减。这个特征被称为黑暗时代谷。

第二个变化发生在大约2亿年之后，物质已经聚集到了足以形成第一批恒星和星系的程度。这一“宇宙黎明”向星系之间的空间里释放出了紫外辐射，因此那片空间中的氢变得更容易吸收21厘米的光子。因此，天文学家预测会在CMB光谱中另一个较短的波长上看到第二个谷。这就是EDGES可能探测出的特征¹。

在宇宙出现5亿年后，氢发生了更为剧烈的变化。恒星和星系所放出的紫外辐射足够亮，使得宇宙中的氢开始发荧光，成为明亮的21厘米光子源。但是，距离第一批星系最近的氢吸收了过多能量，因此会失去电子变黑。这些黑暗的离子泡会在5亿年间随着星系变大融合而逐渐成长，因此星系间发亮的氢就会越来越少。即使到了今天，宇宙中绝大部分氢仍然都是离子态。宇宙学家将这个过渡称为再电离时代（EOR）。

EOR是很多正在进行或筹备中的21厘米射电天文学实验试图探测的目标。人们希望通过拍摄天空中不同波长（等价于红移）的图片，来绘制出它随时间演变的三维图谱。“我们可以弄出一部电影。”伦敦帝国理工学院的天体物理学家Emma Chapman说。离子泡何时形成，形状如何，增长多快之类的细节可以告诉我们星系如何形成，如何发光。如果恒星是再电离的主要推手，那么离子泡就会有漂亮规则的形状，Chapman说。但是“如果有很多黑洞，那它们就会变得更大，形状也会有更多花样，或是长出毛”，她说。因为从黑洞里射出来的辐射束和恒星中射出来的相比，能量更高，穿透力也更强。

EOR还可以为目前基本的宇宙演化模型提供崭新的验证方式。虽然暗物质的证据有很多，人们还没能够判定出它到底是什么。EOR的信号可以帮助判定暗物质到底是由较慢或者说“冷”粒子——目前大家偏向这种模型——还是更轻更快的“热”粒子组成，英国平方千米阵（SKA）的天体物理学家Anna Bonaldi说。“暗物质的本质是有待解决的问题之一。”她说。

虽然天文学家焦急地想知道更多关于EOR的信息，但他们现在才刚勉强有能力探测到它。开路的是射电望远镜阵列，它们能比较不同天线的信号，从而检测到天空中不同方向传来的波强度变化。

这之中最先进的阵列之一是低频阵列望远镜 (LOFAR)，它分布在多个欧洲国家，以荷兰的小镇Exloo为中心。作为目前全世界最大的低频射电天文台，它也只能为离子泡的大小分布缩小一些范围。这可以排除一些极端情况，例如说星系间的介质极冷就是不可能的，格罗宁根大学的天文学家Leon Koopmans说，他领导开展了LOFAR的EOR研究。在近期的一次升级之后，LOFAR的竞争对手——西澳大利亚沙漠中的默奇森广角阵列（MWA），进一步缩小了范围。这份结果很快就会发表。

2018年，马里恩岛上两名研究员和他们的天线。这是南非夸祖鲁-纳塔尔大学一个团队在马里恩进行的探测高红移无线强度实验的一部分。来源：Hsin Cynthia Chiang

在研究人员看来，短期之内要测量到EOR的真实统计性质，而不仅仅是缩小范围，最好的机会可能是另一个被称作氢再电离阵列 (HERA) 的项目。这组望远镜包含了300个抛物线形状的天线，正在南非的北开普省建造，预计这个月就会开始测量数据。MWA和LOFAR是通用的长波长天文台，而HERA的设计则是为探测原初氢进行了优化。它紧密排列的14米宽碟形天线覆盖了50-250 MHz的波长。理论上说，这会使它对星系刚开始照亮宇宙的宇宙黎明谷，以及其后的EOR更为敏感（参见“地球视角下的早期宇宙”）。

和同类的其他实验一样，HERA需要处理银河带来的干扰。我们的银河系和其他星系所产生的无线频段辐射要比原初宇宙的氢谱线要吵上千倍，HERA的项目负责人、加州大学伯克利分校的射电天文学家Aaron Parsons警告说。幸运的是，银河系放出的辐射有着光滑、可预测的谱线，因此直接减掉这一谱线就可以显示出宇宙的特征。但是，射电天文学家为此必须精确知道他们的仪器对不同波长会如何反应，即它的系统误差。周围环境中的微小改变，例如土壤湿度或是周围一棵灌木剪了枝，都会产生影响，这就和FM广播信号会根据你坐在屋里什么位置而发生变化一样。

如果一切顺利的话，HERA团队可能会在几年内获得关于EOR的首批结果，Parsons说。墨尔本大学的天体物理学家，也是MWA合作成员之一的Nichole Barry对成功率很有信心：“HERA的灵敏度足够高，只要能把系统误差控制住，砰！他们很快就能得到测量结果。”

和现有的所有阵列一样，HERA的目标是测量离子泡的统计数据，而不是绘制三维图像。想获得EOR的三维图像，天文学家最大的希望寄托在7.85亿美元的SKA上，它预计会在下一个十年上线。SKA是野心最大的射电天文台，会分布在两个大洲上。其中位于澳大利亚的一半被设计来收集50-350 MHz的频段，这个频段和早期宇宙的氢有关。另一半在南非，则会响应更高的频率。

原始人宇宙学

望远镜阵列越来越大，越来越贵。但是，另一种观测21厘米的设备则看起来仍然很俭朴。EDGES和很多项目都使用单一天线来收集数据，以测量整个天空中无线电波某种属性的平均值为设计目标。

这些项目里所使用的天线“挺原始人的”，CfA的射电天文学家Lincoln Greenhill说。他指的是这些设备比较朴素。但是研究者们花了很多年时间痛苦地调整它们来改变其系统误差，或是用计算机建模来找出系统误差到底是多少。这是“自虐式的固执”，Greenhill说，他领导着美国大光圈黑暗时代探测实验（LEDA）团队。他经常一个人去LEDA在加利福尼亚州欧文斯谷的天线执行各种任务，其中包括在天线下面的沙漠上铺一块新的金属屏，用以反射无线电波。

由于需要这些微调，因此整个领域对EDGES的发现接受得很慢。EDGES看到的宇宙黎明信号意外地大，意味着大爆炸之后大约2亿年时氢气比理论预测要冷很多，可能是4开尔文而不是7开尔文。自从这些结果于2018年初发表之后，理论学家们写下了几十篇论文，提出可能会导致这些气体变冷的机制。但是很多射电天文学家——包括EDGES团队在内——都警告说，应当等这些实验重复之后才能接受结果。

LEDA正在试图这么做，另外几个在更加偏远地区的实验也是一样。印度拉曼研究所的Ravi Subrahmanyan正在制造一个小的球形天线，叫做SARAS 2。他和他的团队将它运到了青藏高原上的一个观测站，现在正在试着将它放在湖中央的一个木筏上。由于下面是活水，“就能保证下方是一个均匀的介质。”Subrahmanyan说。和放在土壤上相比，这会让天线收到的信号更容易理解。

南非夸祖鲁-纳塔尔大学的物理学家Cynthia Chiang和她的同事则走得更远——都快走到南极洲了。她们到偏远的马里恩岛上设置了探测宇宙黎明的实验，称为马里恩探测高红移无线强度实验（Probing Radio Intensity at High-Z from Marion）。目前在加拿大麦吉尔大学任职的Chiang还会去一个新站点——加拿大北极圈内的阿克塞尔海伯格岛。那里无线干扰较少，团队希望能够检测到低达30 MHz的频率，这样他们就能探测到黑暗时代谷。

在如此低的频率下，上方的大气层就成为了观测的严重阻碍。地球上最好的观测地点可能是冰穹C——南极洲的一个高海拔站点，Greenhill说。在那里，极光——主要的干扰源——会在地平线以下。另外一些人把目光投向了太空，或是月球的背面。“那是内太阳系里唯一的一个无线静默的地点。”科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家Jack Burns说。他领导的团队正在制作提案，计划在月球轨道上放置一台简易望远镜，以及利用机器人月球车在月球表面铺设一个阵列。

还有一些更为传统的技术也对宇宙最早的十亿年发起了探索尝试，并探测到了几个星系和类星体，这是由黑洞产生的“灯塔”——宇宙中最亮的现象之一。未来的仪器，特别是NASA预定于2021年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜，会带来更多这类发现。但是在可以预见的未来，传统望远镜只能看到一些最亮的物体，因此无法对天空进行任何全面的搜索。

很多宇宙学家的终极梦想是绘制一幅氢的三维图像，其中不仅包含EOR时期，还可以追溯到黑暗时代。这能涵盖很大一片区域：由于宇宙膨胀，最早的十亿年宇宙占据了当前可观测宇宙体积的80%。至今为止，最好的三维星系探测项目——大多会覆盖距离更近、更亮的天体——也只为不到1%的宇宙绘出了详图，麻省理工学院的宇宙学家Max Tegmark说。Loeb和Tegmark等人计算得出，EOR之前氢密度的变化包含了远多于CMB的信息量^3，4，而后者至今仍然是测量宇宙主要特征——包括宇宙寿命、暗物质含量及其几何特性——的黄金标准。

为那么早的氢绘图将会是一项巨大的技术挑战。巴塞罗那大学的宇宙学家Jordi Miralda-Escudé说，以目前的技术水平，要完成这一挑战简直就像是“白日做梦”。

但是如果真能绘制出这样的图谱，收益会是巨大的，Loeb说。“现在，21厘米信号提供了关于宇宙我们可能得到的最大的数据集。”

参考文献：

1.Bowman, J. D., Rogers, A. E. E., Monsalve, R. A., Mozdzen, T. J. & Mahesh, N. Nature 555, 67–70 (2018).

2.Zeldovich, Y. B., Kurt, V. G. & Syunyaev, R. A. [in Russian] Z. Eksp. Teor. Fiz. 55, 278–286 (1968).

3.Loeb, A. J. Cosmol. Astropart. Phys. 2012, 028 (2012).

4.Mao, Y. Tegmark, M., McQuinn, M. Zaldarriaga, M. & Zahn, O. Phys. Rev. D 78, 023529 (2008).

原文以The quest to unlock the secrets of the baby Universe为标题发表在2019年08月14日的《自然》新闻特写上

© nature

Nature|doi:10.1038/d41586-019-02417-7

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