宇宙 CAT 掃描

用10000個電視天線觀測早期宇宙

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在最初,宇宙是一個充滿能量但沒有形式的虛空。這種情況持續了數百萬年——確切的時間仍然是宇宙學的一個主要謎團——直到第一批恆星從物質的迷霧中凝結出來,併發出藍色的核光。

望遠鏡就像時間機器:它們在太空中看得越遠,就越能窺視過去。但是,即使是最好的光學望遠鏡也無法分辨宇宙在不到十億年前的樣子。在那之前,中性氫氣霧籠罩著嬰兒宇宙中的第一批燈塔。

不過,在中國偏遠的西部烏拉太高原上正在建設的新射電天文臺可能很快就會產生這個形成時期的影像——而且價格也很划算,因為這個龐大的儀器幾乎完全由可以在無線電小屋買到的零件製成。儘管只需要花費300萬美元,但原初結構望遠鏡 (PaST) 仍然是中國迄今為止在實驗天文學方面的最大投資之一。該專案由中國科學院的吳翔平(Xiang-Ping Wu)於2003年啟動,他與匹茲堡的卡內基梅隆大學的傑弗裡·B·彼得森(Jeffrey B. Peterson)和多倫多加拿大理論天體物理研究所的彭宇力(Ue-Li Pen)共同領導。


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雖然形式上是望遠鏡,但PaST更應該被認為是一項實驗。“我們將在明年開啟後的幾周內獲得足夠的資料來回答我們的主要問題,”彼得森說。(然而,分析這些資料可能需要數年時間。)這是因為該儀器本質上是一個巨大的、極其靈敏的電視接收器。

PaST將組合由10000個高增益天線接收到的無線電訊號,這些天線排列成長度達三公里的直線。對數週期天線與數百萬個用於屋頂的天線類似,每個成本僅為20美元。家用同軸電纜分配器反向安裝,將來自多個天線的訊號組合起來,並將它們饋送到一組320臺普通的奔騰PC機中,這些PC機執行免費的Linux軟體。計算機合併資料以生成一個以北極星為中心的天空10度區域的高解析度影像。

實際上,“影像”這個詞並不恰當,因為PaST將在VHF頻譜的廣泛範圍內記錄數千個同時發生的訊號。科學家們正在編寫軟體,以篩選掉不感興趣的訊號——例如來自電視臺、流星和遙遠星系中心的黑洞的訊號——從而揭示理論家預測埋藏在噪聲中的早期宇宙的三維CAT掃描圖。

當第一顆恆星閃爍時,它們的紫外光激發了周圍的中性氫原子,導致氣體在1420兆赫茲發出微弱的無線電訊號。隨著星光增強,它最終從氫原子中剝離電子,使原子電離。

但是,隨著時間的推移,宇宙的膨脹拉伸了古老的無線電波,將其頻率降低了與其年齡成比例的量。天文學家因此可以透過將他們的接收器“調諧”到適當的頻率來看到特定時刻在空間中的位置。“這有點像考古學,”哈佛-史密森天體物理中心的亞伯拉罕·勒布說。“當我們深入挖掘時,我們可以切片宇宙,看到越來越古老的層。”

天文學家預計,PaST將揭示在大爆炸後約2億年時,均勻明亮的中性氫霧,隨著第一批恆星周圍的電離氫氣泡出現而變得越來越不均勻。模擬表明,這些殼隨後像瑞士乳酪中的空隙一樣連線起來,形成隧道。中性氫霧逐漸消散成散落的縷縷,並在最初的十億年內永遠消失,留給我們今天看到的透明空間。在這個故事變得更清晰之前,PaST或競爭對手天文臺將提供更多的清晰度。要有光。

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