揭秘嬰兒宇宙的奧秘

要了解從地球視角看到的宇宙是什麼樣子，可以想象一個大西瓜。我們的星系，銀河系，是其中一顆種子，位於果實的中心。它周圍的空間，即粉紅色的果肉，點綴著無數其他的種子。這些也是星系，我們——生活在中心種子內部——可以透過望遠鏡觀察到它們。

由於光以有限的速度傳播，我們看到的其他星系是它們過去的模樣。離西瓜中心最遠的種子是迄今為止看到的最早的星系，可以追溯到宇宙只有現在138億年年齡的三十分之一的時期。在這些星系之外，在西瓜皮薄薄的綠色外層，存在著比恆星時代更原始的東西。這一層代表了宇宙在僅僅38萬歲時的樣子，那時它仍然是亞原子粒子的溫暖、發光的湯。我們瞭解那個時期，是因為它的光仍然在太空中漣漪——儘管它在漫長的歲月中已經拉伸了太多，以至於現在以微弱的微波輻射形式存在。

可觀測宇宙中最神秘的部分是西瓜的另一層，即綠色外殼和粉紅色果肉之間的部分。這代表了宇宙歷史的最初十億年。天文學家對這個時期知之甚少，只看到了一些極其明亮的星系和其他天體。

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然而，這個時期是宇宙經歷最劇烈變化的時期。我們知道轉變的最終產物——畢竟我們在這裡——但不知道它是如何發生的。第一批恆星是如何以及何時形成的，它們看起來是什麼樣子？黑洞在塑造星系中扮演了什麼角色？暗物質的本質是什麼，它遠遠超過了普通物質，並被認為塑造了宇宙的大部分演化？

一支由大大小小的射電天文學專案組成的隊伍，正在努力繪製這片未知的領域。天文學家有一個簡單的資訊來源——原子氫發射和吸收的單一、孤立的波長，原子氫是宇宙大爆炸後幾乎所有普通物質的組成元素。探測這種微弱訊號——氫光譜中波長為21釐米的譜線的努力，正在推動天文學家在世界上一些最偏遠的地方部署越來越靈敏的觀測站，包括在青藏高原湖泊上的一個孤立的浮筏和加拿大北極地區的一個島嶼。

去年，全球再電離時期特徵探測實驗 (EDGES)，一個位於澳大利亞內陸地區、簡單得令人難以置信的天線，可能已經看到了最早的恆星周圍原始氫存在的初步跡象。其他實驗現在正處於達到開始繪製原始氫——以及早期宇宙——3D地圖所需的靈敏度的邊緣。哈佛-史密森天體物理中心 (CfA) 位於馬薩諸塞州劍橋市的理論天體物理學家 Avi Loeb 說，這現在是“宇宙學的最後前沿”。它掌握著揭示一個不起眼的、均勻的粒子質量如何演變成恆星、星系和行星的關鍵。“這是我們創世紀故事的一部分——我們的根，”Loeb 說。

一條細線

大約在大爆炸後38萬年，宇宙已經膨脹和冷卻到足以使其主要由質子和電子組成的湯結合成原子。氫在當時佔據了普通物質的主導地位，但它既不發射也不吸收絕大多數電磁頻譜的光子。因此，它在很大程度上是不可見的。

但是氫的單個電子提供了一個例外。當電子在兩個方向之間切換時，它會釋放或吸收一個光子。這兩個狀態具有幾乎相同的能量，因此光子彌補的差異非常小。因此，光子具有相對較低的電磁頻率，因此波長相當長，略微超過 21 釐米。

正是這種氫訊號在 20 世紀 50 年代揭示了銀河系的旋渦結構。到 20 世紀 60 年代末，蘇聯宇宙學家 Rashid Sunyaev（現任德國加興馬克斯·普朗克天體物理研究所）是最早意識到該譜線也可用於研究原始宇宙的研究人員之一。由於宇宙膨脹的拉伸或紅移，這些 21 釐米光子今天的波長將在大約 1.5 米到 20 米之間——對應於 15 到 200 兆赫 (MHz)。

Sunyaev 和他的導師，已故的 Yakov Zeldovich，曾考慮使用原始氫訊號來檢驗一些關於星系如何形成的早期理論。但是，他告訴《自然》雜誌，“當我帶著這個想法去找射電天文學家時，他們說，‘Rashid，你瘋了！我們永遠無法觀察到這個。’”

問題在於，紅移到無線電頻譜更深處的氫線會非常微弱，以至於似乎不可能將其從銀河系和人類活動發出的無線電頻率訊號的嘈雜聲中分離出來，包括調頻廣播電臺和汽車的火花塞。

利用 21 釐米光子繪製早期宇宙的想法在三十年中只受到了零星的關注，但過去幾年的技術進步使這項技術看起來更可行。無線電探測的基本原理保持不變；許多射電望遠鏡由簡單的材料構成，例如塑膠管道和金屬絲網。但是望遠鏡的訊號處理能力已經變得更加先進。最初為遊戲和手機開發的消費電子元件現在使天文臺能夠以相對較少的投資處理大量資料。與此同時，理論宇宙學家一直在為 21 釐米宇宙學的前景提出更詳細和更令人信服的論據。

黑暗和黎明

在大爆炸之後原子氫形成後，宇宙中唯一的光是今天到達地球的、來自所有方向的微弱長波輻射——這種訊號被稱為宇宙微波背景 (CMB)。大約 140 億年前，這種大爆炸的餘輝在人眼中看起來是均勻的橙色。然後天空會變紅，然後慢慢變暗成漆黑一片；那裡根本沒有其他東西可以產生可見光，因為背景輻射的波長繼續延伸到紅外光譜及更遠。宇宙學家將這個時期稱為黑暗時代（參見“從地球視角看早期宇宙”）。

理論家們認為，隨著時間的推移，演化的宇宙會在充滿空間的氫中留下三個不同的印記。第一個事件始於大爆炸後大約 500 萬年，當時氫變得足夠冷，以至於吸收的背景輻射多於發射的輻射。今天應該可以在 CMB 光譜中檢測到這個時期的證據，表現為在某個波長處的強度下降，這種特徵被稱為黑暗時代低谷。

大約 2 億年後，在物質凝聚在一起足以形成第一批恆星和星系之後，出現了第二次變化。這個“宇宙黎明”將紫外線輻射釋放到星系際空間，這使得那裡的氫更容易吸收 21 釐米光子。因此，天文學家預計會在 CMB 光譜中看到第二個下降或低谷，波長更短；這似乎是 EDGES 檢測到的訊號。

在宇宙存在了 5 億年後，氫經歷了更劇烈的變化。來自恆星和星系的紫外線輻射會變得足夠明亮，以至於導致宇宙中的氫發出熒光，將其變成 21 釐米光子的發光源。但是最靠近早期星系的氫吸收了太多的能量，以至於失去了電子並變暗。隨著星系的成長和合並，這些黑暗的電離氣泡在大約 5 億年的時間裡變得越來越大，星系之間發光的氫越來越少。即使在今天，宇宙中絕大多數的氫仍然是電離的。宇宙學家將這種轉變稱為再電離時期，或 EOR。

EOR 是許多正在進行或正在籌備的 21 釐米射電天文學實驗的目標。希望是透過拍攝不同波長或紅移的天空快照，以 3D 方式繪製其隨時間演化的過程。“我們將能夠製作一部完整的電影，”倫敦帝國學院的天體物理學家 Emma Chapman 說。氣泡何時形成、它們的形狀以及它們生長速度的細節將揭示星系是如何形成的以及它們產生的光的型別。Chapman 說，如果恆星完成了大部分再電離，那麼氣泡將具有整潔、規則的形狀。但是，“如果有大量的黑洞，它們開始變得更大、更自由或更飄渺，”她說，因為從黑洞噴射出的噴流中的輻射比來自恆星的輻射更具能量和穿透力。

EOR 還將為當前宇宙演化的最佳模型提供前所未有的測試。儘管有大量證據表明暗物質的存在，但沒有人確切地確定它是什麼。來自 EOR 的訊號將有助於表明暗物質是由相對遲緩或“冷”的粒子組成的（目前流行的模型），還是由更輕、更快的“暖”粒子組成的，位於英國曼徹斯特附近的平方公里陣列 (SKA) 組織的 Anna Bonaldi 說。“暗物質的確切性質是關鍵之一，”她說。

儘管天文學家迫切希望更多地瞭解 EOR，但他們現在才開始接近探測它的能力。領先的是射電望遠鏡陣列，它比較來自多個天線的訊號，以檢測來自天空中不同方向的波的強度變化。

追逐 EOR 最先進的工具之一是低頻陣列 (LOFAR)，它分佈在多個歐洲國家，中心位於荷蘭小鎮埃克斯洛附近。LOFAR 是目前世界上最大的低頻射電天文臺，到目前為止，它只能對氣泡的大小分佈進行限制，從而排除了某些極端情況，例如星系際介質特別冷的情況，荷蘭格羅寧根大學的天文學家 Leon Koopmans 說，他領導著 LOFAR 的 EOR 研究。在最近一次升級之後，LOFAR 的競爭對手，位於西澳大利亞沙漠中的默奇森廣域陣列 (MWA)，在即將釋出的結果中進一步改進了這些限制。

研究人員表示，在短期內，測量 EOR 實際統計特性（而不是對其進行限制）的最佳機會可能在於另一項名為再電離時期氫陣列 (HERA) 的工作。該望遠鏡由一組 300 個拋物面天線組成，正在南非北開普省地區完成，並計劃於 9 月開始採集資料。MWA 和 LOFAR 是通用的長波長天文臺，而 HERA 的設計針對探測原始氫進行了最佳化。其緊密排列的 14 米寬天線罩覆蓋 50 至 250 MHz 的波長。從理論上講，這應該使其對宇宙黎明低谷（當星系首次開始照亮宇宙時）以及 EOR 敏感（參見“從地球視角看早期宇宙”）。

與所有此類實驗一樣，HERA 將不得不應對來自銀河系的干擾。加州大學伯克利分校的射電天文學家、HERA 的首席研究員 Aaron Parsons 警告說，來自我們星系和其他星系的射電頻率發射比來自原始宇宙的氫線強數千倍。幸運的是，銀河系的發射具有平滑、可預測的光譜，可以將其減去以揭示宇宙學特徵。但是，要做到這一點，射電天文學家必須確切地知道他們的儀器如何響應不同的波長，也稱為其系統誤差。周圍環境的微小變化，例如土壤水分的增加或附近灌木的修剪，都可能產生影響——就像調頻廣播訊號的質量可能會根據您在房間中的位置而變化一樣。

Parsons 說，如果一切順利，HERA 團隊可能會在幾年內獲得其首批 EOR 結果。澳大利亞墨爾本大學的天體物理學家、MWA 合作組織的成員 Nichole Barry 對其機會感到興奮：“HERA 將具有足夠的靈敏度，如果他們能夠控制住系統誤差，那麼 boom！他們可以在短時間內進行測量。”

與所有現有陣列類似，HERA 的目標是測量氣泡的統計資料，而不是生成 3D 地圖。天文學家對 EOR 的 3D 地圖的最大希望寄託在耗資 7.85 億美元的 SKA 上，預計 SKA 將在未來十年內上線。SKA 是有史以來最雄心勃勃的射電天文臺，將分佈在兩個大陸，其中位於澳大利亞的一半旨在接收 50 至 350 MHz 的頻率，這是與早期宇宙氫相關的頻段。（另一半位於南非，將對更高的頻率敏感。）

克羅馬儂人宇宙學

雖然陣列變得越來越大、越來越昂貴，但另一類 21 釐米專案仍然保持簡樸。許多專案，例如 EDGES，使用單個天線收集資料，旨在測量在整個可用天空範圍內平均的無線電波的某些屬性。

CfA 射電天文學家 Lincoln Greenhill 說，這些專案使用的天線“非常克羅馬儂人”，指的是裝置的原始性質。但是研究人員花費數年時間，煞費苦心地調整儀器以影響其系統誤差，或者使用計算機模型來精確計算系統誤差是什麼。Greenhill 說，這是一種“受虐狂式的痴迷”，他領導著美國的大孔徑探測黑暗時代實驗 (LEDA) 專案。他經常獨自前往加利福尼亞州歐文斯谷的 LEDA 天線進行各種任務。這些任務可能包括在天線下方的沙漠地面上鋪設新的金屬網，以充當無線電波的反射鏡。

這些細微之處意味著，學界一直不願接受 EDGES 的發現。EDGES 看到的宇宙黎明訊號也出乎意料地大，這表明在大爆炸後約 2 億年存在的氫氣比理論預測的要冷得多，可能只有 4 開爾文而不是 7 開爾文。自 2018 年初發布結果以來，理論家們撰寫了數十篇論文，提出了可能使氣體冷卻的機制，但包括 EDGES 團隊在內的許多射電天文學家警告說，在學界能夠接受這些實驗結果之前，需要對其進行重複驗證。

LEDA 現在正試圖這樣做，其他幾個實驗也在更偏遠和難以到達的地方進行。印度班加羅爾拉曼研究所的 Ravi Subrahmanyan 正在研究一種稱為 SARAS 2 的小型球形天線。他和他的團隊將其帶到了青藏高原的一個地點，他們現在正在試驗將其放置在湖中央的浮筏上。Subrahmanyan 說，使用淡水，“您可以確保下方有一個均勻的介質”，與土壤上的天線相比，這可以使天線的響應更容易理解。

誇祖魯-納塔爾大學物理學家 Cynthia Chiang 和她的同事們走得更遠——到達南極洲一半路程的偏遠馬裡恩島——建立他們的宇宙黎明實驗，稱為馬裡恩高紅移射電強度探測 (Probing Radio Intensity at High-Z from Marion)。Chiang 現在在加拿大蒙特利爾的麥吉爾大學工作，她也正在前往一個新的地點，加拿大北極地區的阿克塞爾海伯格島。那裡無線電干擾有限，該團隊希望能夠探測到低至 30 MHz 的頻率，這可能使他們能夠探測到黑暗時代低谷。

在如此低的頻率下，高層大氣層成為觀測的嚴重障礙。Greenhill 說，地球上進行這些觀測的最佳地點可能是南極洲的高海拔地點 Dome C。在那裡，極光（主要的干擾源）將在地平線以下。但其他人則將目光投向太空，或月球背面。科羅拉多大學博爾德分校的天體物理學家 Jack Burns 說：“這是內太陽系中唯一無線電靜默的地點。”他正在領導在月球軌道上放置一個簡單的望遠鏡以及由機器人漫遊車部署在月球表面的陣列的提案。

其他更傳統的技術也已涉足宇宙歷史的最初十億年，探測到了一些星系和類星體——黑洞驅動的信標，它們是宇宙中最明亮的現象之一。未來的儀器，特別是 NASA 計劃於 2021 年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，將帶來更多這些發現。但在可預見的未來，傳統望遠鏡將只能發現一些非常明亮的天體，因此將無法進行任何形式的詳盡天空巡天。

許多宇宙學家的終極夢想是繪製氫的詳細 3D 地圖，不僅在 EOR 期間，而且一直追溯到黑暗時代。這涵蓋了廣闊的空間：由於宇宙膨脹，宇宙歷史的最初十億年佔當前可觀測宇宙體積的 80%。馬薩諸塞理工學院 (MIT) 位於劍橋市的宇宙學家 Max Tegmark 說，到目前為止，星系的 3D 巡天（傾向於覆蓋更近、因此更明亮的天體）已經繪製了不到 1% 的體積的詳細地圖。Loeb、Tegmark 和其他人計算出，EOR 之前氫密度變化包含的資訊比 CMB 包含的資訊多得多，而 CMB 到目前為止一直是衡量宇宙主要特徵的黃金標準。這些特徵包括宇宙的年齡、它包含的暗物質的數量及其幾何形狀。

繪製早期氫的地圖將是一項巨大的技術挑戰。西班牙巴塞羅那大學的宇宙學家 Jordi Miralda-Escudé 說，以目前的技術來看，這太具有挑戰性，簡直是“白日夢”。

但 Loeb 說，製作此類地圖的回報將是巨大的。“21 釐米訊號今天提供了關於宇宙的最大資料集，這些資料集將永遠可以供我們訪問。”

本文經許可轉載，並於 2019 年 8 月 14 日首次發表。