仰望星空，感覺(jué)宇宙被繁星填滿了夜空。但是，當(dāng)宇宙還處于初級(jí)階段時(shí)，宇宙中沒(méi)有恒星，沒(méi)有光源，整個(gè)宇宙黑漆漆的一片。現(xiàn)在一個(gè)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)比以往任何時(shí)候都更接近于探測(cè)、測(cè)量和研究宇宙初生時(shí)代的信號(hào)，

自從那個(gè)沒(méi)有恒星的時(shí)代在大約130億年前結(jié)束以來(lái)，這個(gè)信號(hào)一直在宇宙中傳播。該團(tuán)隊(duì)由華盛頓大學(xué)、墨爾本大學(xué)、科廷大學(xué)和布朗大學(xué)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)。

其研究成果發(fā)表在《天體物理學(xué)》期刊上，研究人員將Murchison Widefield陣列收集的無(wú)線電發(fā)射數(shù)據(jù)提高了近10倍。研究小組成員目前正在搜尋這架位于偏遠(yuǎn)西澳大利亞的射電望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)，以尋找宇宙這個(gè)鮮為人知的“黑暗時(shí)代”信號(hào)。了解這一時(shí)期將有助于解決當(dāng)今關(guān)于宇宙的主要問(wèn)題。密歇根大學(xué)物理學(xué)教授、團(tuán)隊(duì)成員米格爾·莫拉萊斯(Miguel Morales)表示：

我們認(rèn)為，這個(gè)時(shí)代的宇宙屬性，對(duì)第一批恒星的形成產(chǎn)生了重大影響，并啟動(dòng)了后期宇宙的結(jié)構(gòu)特征。那個(gè)時(shí)代物質(zhì)在宇宙中的分布方式，很可能決定了星系和星系團(tuán)的分布方式。在一下這個(gè)黑暗時(shí)代之前，宇宙是熾熱而稠密的。電子和光子有規(guī)律地相互纏繞，使宇宙變得不透明。但當(dāng)宇宙的年齡不到一百萬(wàn)年時(shí)，電子-光子相互作用就變得罕見(jiàn)了。不斷膨脹的宇宙變得越來(lái)越透明和黑暗，開(kāi)始了宇宙的黑暗時(shí)代。

沒(méi)有恒星的時(shí)代持續(xù)了數(shù)億年，在此期間，中性氫原子主導(dǎo)了宇宙。在宇宙的黑暗時(shí)代，沒(méi)有基于光的信號(hào)可以研究來(lái)了解它，整個(gè)宇宙都沒(méi)有可見(jiàn)光！但有一個(gè)特定的信號(hào)我們可以尋找，這個(gè)信號(hào)來(lái)自中性氫。雖然從未測(cè)量過(guò)這個(gè)信號(hào)，但天文學(xué)家知道它就在那里，而且很難探測(cè)到，因?yàn)樽詮倪@個(gè)信號(hào)發(fā)出130億年來(lái)，宇宙已經(jīng)變得非常繁忙，充斥著來(lái)自恒星、星系的其他活動(dòng)，甚至是人類(lèi)的技術(shù)，淹沒(méi)了來(lái)自中性氫的信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)尋找130億年前的信號(hào)是電磁波發(fā)射，中性氫在21cm的波長(zhǎng)上發(fā)射。自那時(shí)以來(lái)，宇宙一直在膨脹，將信號(hào)波長(zhǎng)延伸到近2m。這個(gè)信號(hào)應(yīng)該包含關(guān)于黑暗時(shí)代和結(jié)束事件的信息。當(dāng)宇宙只有10億歲的時(shí)候，氫原子開(kāi)始聚集并形成第一批恒星，結(jié)束了黑暗時(shí)代。來(lái)自第一批恒星的光開(kāi)啟了一個(gè)新紀(jì)元（再電離時(shí)代），來(lái)自這些恒星的能量將大部分中性氫轉(zhuǎn)化為電離等離子體，直到今天，等離子體仍然主導(dǎo)著星際空間。

再電離時(shí)代和之前的黑暗時(shí)代，是理解宇宙特征的關(guān)鍵時(shí)期，比如為什么我們有一些區(qū)域充滿星系，而另一些區(qū)域相對(duì)空曠，物質(zhì)的分布，甚至可能是暗物質(zhì)和暗能量。Murchison陣列是研究的主要工具，這個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列由4096個(gè)偶極天線組成，可以捕捉到像中性氫電磁特征這樣的低頻信號(hào)。但是，由于來(lái)自宇宙中其他來(lái)源的電磁“噪聲”，包括星系、恒星和人類(lèi)活動(dòng)，這些低頻信號(hào)很難被探測(cè)到。但研究人員開(kāi)發(fā)出越來(lái)越復(fù)雜的方法來(lái)過(guò)濾這種噪音，并使它們更接近那個(gè)信號(hào)。

研究已經(jīng)從超過(guò)21小時(shí)的Murchison Array數(shù)據(jù)中過(guò)濾出了電磁干擾，包括來(lái)自人類(lèi)各種無(wú)線電廣播的電磁干擾。往前看，該團(tuán)隊(duì)有大約3000小時(shí)射電望遠(yuǎn)鏡陣列收集的額外數(shù)據(jù)。研究人員正試圖過(guò)濾掉干擾，進(jìn)一步接近中性氫發(fā)出難以捉摸的信號(hào)，以及它能照亮的黑暗時(shí)代。

博科園｜研究/來(lái)自：華盛頓大學(xué)

研究發(fā)表期刊《天體物理學(xué)》

DOI: 10.3847/1538-4357/ab55e4

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