透過強大的望遠鏡窺視天空，在銀河系的眩光之外，你可以分辨出遙遠星系的微弱光芒。這些星系聚集在一起形成密集的星系團，星系團之間由細絲狀結構連線，並被數億光年寬的巨大空洞分隔開。自 20 世紀 80 年代以來，科學家們已經觀測了數百萬個星系，以便更詳細地繪製這張“宇宙網”的地圖，從而探索我們宇宙的歷史。
但這種大規模結構還有更多肉眼看不到的東西。氫原子自然會發出波長為 21 釐米的特徵射電波，而且由於氫氣雲傾向於在引力作用下聚集在星系周圍，因此這種射電輻射的模式反映了物質的潛在宇宙分佈。在最近的預印本論文中，加拿大氫強度 mapping 實驗 (CHIME) 的射電天文學家報告了他們首次探測到這些指示性模式。
這項結果是利用氫的射電輻射繪製宇宙網完整地圖的重要第一步，儘管 CHIME 的測量精度尚未達到最先進的紅外和光學巡天繪製大規模結構的水平。“這還不是‘聖盃’般的結果，但對於 CHIME 以及該領域來說，這是一個里程碑，”美國宇航局噴氣推進實驗室的研究科學家張子卿說，他沒有參與這項工作。
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未知的空間
在宇宙的“黑暗時代”，即質子和電子在大爆炸後首次結合形成原子後的數億年裡，沒有恆星存在來照亮當時瀰漫在太空中的所有氫氣。隨著引力與宇宙膨脹競爭，氣體在某些地方變得更稠密，而在另一些地方變得更稀薄，最稠密的區域最終孕育了發光的恆星、星系和星系團。
到 20 世紀 90 年代，宇宙學家認為他們已經瞭解了這個故事的大致輪廓。因此，他們在 1998 年震驚地發現，在經歷了 80 多億年的平穩擴張後，宇宙膨脹在大約 50 億年前開始神秘地加速。對於導致這種加速的“暗能量”，人們幾乎一無所知；一個重要的開放性問題是，它是不可變的“宇宙常數”，還是強度隨時間變化的動態場。
宇宙網的地圖可能指向答案。來自更遙遠星系的光到達我們這裡需要更長的時間，宇宙的膨脹將這種古老光線的波長拉伸到可見光譜的紅色端：星系越遠，宇宙紅移越大。精確的紅移測量，基於星系中大量存在的原子的獨特光譜指紋，因此使天文學家能夠構建宇宙網的三維地圖。這些地圖編碼了關於宇宙膨脹歷史和大規模結構演化的豐富資訊。
最近完成的星系巡天，稱為擴充套件重子振盪光譜巡天 (eBOSS)，編目了 50 萬個星系以及數量相當的類星體的位置和紅移——類星體是超大質量黑洞驅動的大星系核心中極其明亮的區域。eBOSS 團隊隨後使用該目錄構建了一張地圖，該地圖覆蓋了大約 15% 的天空，並追溯到 110 多億年前。更雄心勃勃的後續巡天正在進行中。
新的希望
然而，儘管星系巡天取得了成功，但它們也有侷限性。望遠鏡必須首先掃描天空以選擇要納入巡天的星系，隨後對單個星系紅移的測量往往非常耗時。最先進的巡天還需要昂貴的光譜儀，其中包含數千個移動部件。
氫強度 mapping，CHIME 採用的策略，可能被證明是一種更便宜、更快速的宇宙 mapping 方式。來自遙遠氣體雲的 21 釐米射電波會像可見光一樣發生紅移。但射電望遠鏡可以同時測量天空不同波長射電輻射強度的變化，使天文學家無需單獨的紅移測量即可構建三維地圖。專用強度 mapping 望遠鏡也很便宜，“比光學或紅外中同類光譜儀器便宜一個數量級，”南非誇祖魯-納塔爾大學的天文學教授 Kavilan Moodley 說，他與 CHIME 沒有隸屬關係。
強度 mapping 面臨著自身的挑戰。主要困難在於宇宙學訊號很小，而銀河系本身就是一個強大的射電源。“你試圖在它後面看到一些比它暗淡 1000 倍或 10000 倍的東西，”Moodley 說。要梳理出宇宙網的印記，需要精確的望遠鏡建模和仔細的分析。
CHIME 是一排四個沒有移動部件的射電望遠鏡，每個都像用雞絲網製成的單板滑雪半管。隨著地球的自轉，望遠鏡掃描出整個北半球的低解析度地圖。生成的 3D 地圖由“體素”而不是“畫素”組成，每個體素的邊長約為 3000 萬光年，深度為 1000 萬光年，通常填充著數百個星系。這種粗糙的空間解析度是一個特點，而不是一個缺陷：將每個體素中所有氫的射電輻射加起來，天文學家就可以拾取他們原本看不到的微弱訊號。而且由於暗能量的影響在非常大的距離尺度上最為明顯，因此單個體素內的結構與這些研究無關。
在 2009 年和 2010 年，張子卿和其他天文學家使用澳大利亞和西弗吉尼亞州的射電望遠鏡，在氫的 21 釐米輻射中發現了宇宙網的最初痕跡。但這些望遠鏡是 100 米的碟形天線，只能從天空的一小部分割槽域收集光線，因此它們無法有效地 mapping 更完整檢視所需的大片區域。這些設施也很搶手，只有一小部分觀測可以用於 21 釐米觀測。新的 CHIME 結果來自 2019 年收集的資料，是第一批來自專門設計用於 mapping 宇宙網的射電望遠鏡的結果。這使 CHIME 研究人員能夠更好地控制系統誤差，而且他們不必與其他天文學家競爭望遠鏡時間。該專案的資料可以追溯到 90 億年前，比之前的射電測量深入過去 10 億年。
第一個訊號——但不是最後一個
在處理完資料以消除來自銀河系和地球來源的前景輻射後，研究人員使用了一種稱為“堆疊”的技術來研究 CHIME 資料與 eBOSS 巡天星系地圖之間的相關性。他們看到了一個明確的訊號：更強射電輻射的區域與已知星系和類星體的位置重疊。“當你有第一次探測時，這非常令人鼓舞，”麥吉爾大學研究科學家、CHIME 團隊分析負責人之一 Seth Siegel 說。他說，這一結果是一個重要的里程碑，因為它為 CHIME 研究人員提供了一個基線，他們可以從中尋求進一步的改進。
該團隊目前正在使用更新的 CHIME 資料構建獨立的地圖，無需 eBOSS 目錄的幫助。然後，它計劃在更長距離尺度上搜索氫氣分佈的相關性，在這種情況下，將訊號與前景輻射分離變得尤為具有挑戰性。這種相關性是聲波（宇宙學家稱之為“重子聲波振盪”）的遺蹟，這些聲波在充滿早期宇宙的熾熱原始等離子體中盪漾。這些振盪的特徵尺度——在當今宇宙中約為 5 億光年——已經使用其他方法精確測量。因此，重子聲波振盪可以作為一種標尺，該團隊可以使用它來測量其地圖中的其他距離，以尋找與標準宇宙學的偏差，例如暗能量強度的變化。
與 Siegel 共同領導分析的英屬哥倫比亞大學研究科學家 Richard Shaw 強調，這僅僅是 CHIME 的開始。“我們已經有很多資料，而且還有更多資料，”他說。