通过一个强大的望远镜凝视天空，在银河系的耀眼光芒之外，你可以看到遥远星系的微弱光芒。这些星系以密集的星系团聚集在一起，星系团由纤细的细丝连接在一起，星系团被跨越数亿光年的巨大空洞隔开。自20世纪80年代以来，科学家们已经观测了数百万个星系，以更详细地绘制这张“宇宙网”，以了解我们的宇宙历史。

但这座大型建筑的内涵远不止眼前所见。氢原子自然地发射出具有21厘米波长特征的无线电波，由于氢气云倾向于引力聚集在星系周围，这种无线电波发射的模式反映了物质潜在的宇宙分布。在最近的一篇预印本论文中，致力于加拿大氢强度映射实验(CHIME)的射电天文学家报告了他们的第一次发现这些泄密模式．

尽管CHIME的测量还没有达到最先进的红外和光学测量绘制大尺度结构的精度，但这一结果是利用氢的无线电发射绘制宇宙网完整地图的重要的第一步。“这还不是‘圣杯’的结果，但它是CHIME和该领域的一个里程碑，”没有参与这项工作的NASA喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)研究科学家张子青(Tzu-Ching Chang)说。

未知的空间

在宇宙的“黑暗时代”，也就是大爆炸后质子和电子首次结合形成原子的几亿年后，没有恒星能够照亮当时弥漫在宇宙中的所有氢气。在引力与宇宙膨胀的竞争下，气体在一些地方变得更密集，在另一些地方变得更稀薄，密度最大的区域最终诞生了发光的恒星、星系和星系团。

到了20世纪90年代，宇宙学家认为他们了解了这个故事的大致脉络。因此，1998年，他们震惊地发现，在经历了80多亿年的安逸安逸之后，宇宙膨胀在大约50亿年前开始神秘地加速。对造成这种加速的“暗能量”几乎一无所知;一个重要的悬而未决的问题是，它是一个不变的“宇宙常数”，还是一个强度随时间而变化的动态场。

宇宙网络的地图可能会给我们一个答案。来自更遥远星系的光需要更长的时间才能到达我们，而宇宙的膨胀将这种古老光的波长延伸到可见光谱的红端:星系越远，宇宙红移越大。精确的红移测量，基于星系中丰富的原子的独特光谱指纹，因此允许天文学家构建宇宙网络的三维地图。这些地图包含了大量关于宇宙膨胀历史和大尺度结构演化的信息。

最近完成的星系调查被称为扩展重子振荡光谱调查(eBOSS)，它记录了50万个星系和同样多的类星体的位置和红移——类星体是由超大质量黑洞驱动的大型星系核心的极亮区域。然后，eBOSS团队使用这个目录构建了一张覆盖了大约15%的天空的地图，可以追溯到110多亿年前。更有野心的后续调查正在进行中。

新希望

然而，尽管星系调查取得了成功，但也有其局限性。望远镜必须首先扫描天空，以选择星系纳入调查，后续测量单个星系的红移往往是耗时的。最先进的调查还需要有数千个活动部件的昂贵光谱仪。

氢强度绘图，CHIME所采用的策略，可能被证明是一种更便宜、更快的宇宙绘图方法。来自遥远气体云的21厘米无线电波会像可见光一样红移。但射电望远镜可以同时测量天空中许多不同波长的射电发射强度的变化，使天文学家无需单独的红移测量就能构建三维地图。专门的强度测绘望远镜也很便宜，“比光学或红外光谱仪器便宜一个数量级，”南非夸祖鲁-纳塔尔大学的天文学教授Kavilan Moodley说，他不是CHIME的成员。

强度映射面临着自身的挑战。主要的困难是宇宙信号很小，而银河系本身是一个强大的无线电发射器。Moodley说:“你试图在它背后观察比它暗1000或10000倍的东西。”梳理宇宙网的印记需要精确的望远镜建模和仔细的分析。

CHIME是一排四台没有移动部件的射电望远镜，每一个都像一个用铁丝网做成的滑雪板半管。随着地球的旋转，望远镜会扫出整个北半球的低分辨率地图。生成的3d地图由“体素”而不是“像素”组成，每个体素每边大约3000万光年，1000万光年深，通常包含数百个星系。这种粗糙的空间分辨率是一个特征，而不是一个缺陷:将每个体素中所有氢原子的无线电发射相加，可以让天文学家捕捉到他们平时看不到的微弱信号。由于暗能量的影响在非常大的距离范围内最为明显，个体体素内的结构与这些研究无关。

2009年和2010年，张和其他天文学家利用澳大利亚和西弗吉尼亚州的射电望远镜在21厘米的氢发射物中发现了宇宙网的第一个痕迹。但这些望远镜是100米长的碟形望远镜，只能从天空的一小块区域收集光线，因此它们无法有效地绘制出更完整的观测所需的大片区域。这些设备的需求也很高，只有一小部分的观测可以用于21厘米的观测。新的CHIME结果来自2019年收集的数据，是专门设计用于绘制宇宙网络的射电望远镜的首个结果。这使得CHIME的研究人员能够更好地控制系统误差，而且他们不必与其他天文学家竞争使用望远镜的时间。该项目的数据可以追溯到90亿年前，比之前的无线电测量要早10亿年。

第一个信号——但不是最后一个

在对他们的数据进行处理，去除来自银河系和陆地源的前景发射后，研究人员使用了一种叫做“叠加”的技术，来研究CHIME的数据和eBOSS调查的星系图之间的相关性。他们看到了一个明确的信号:更强烈的射电发射区域与已知星系和类星体的位置重叠。麦吉尔大学的研究科学家、CHIME团队分析的领导者之一赛斯·西格尔说:“当你第一次发现时，这是极大的激励。”他说，这一结果是一个重要的里程碑，因为它为CHIME的研究人员提供了一个基准线，他们可以据此进一步改进。

该团队现在正在使用更多的CHIME最新数据来构建一个独立的地图，而不需要eBOSS目录的帮助。然后，它计划在更远的距离范围内寻找氢气分布的相关性，对这种方法来说，分离前景发射的信号变得尤其具有挑战性。这种相关性是声波的痕迹——宇宙学家称之为“重子声振荡”——这种声波在充满早期宇宙的炽热原始等离子体中荡起涟漪。这些振荡的特征尺度——在现在的宇宙中大约是5亿光年——已经用其他方法精确测量过了。因此，重子声振荡可以作为一种尺度，该团队可以用它来测量地图中的其他距离，以寻找与标准宇宙学的偏差，比如暗能量强度的变化。

英属哥伦比亚大学的研究科学家理查德·肖(Richard Shaw)与西格尔共同领导了这项分析，他强调这只是CHIME的开始。他说:“我们有大量的数据，未来还会有更多的数据。”