为了了解从地球的角度看宇宙是什么样子,想象一个大西瓜。我们的星系,银河系,是一颗种子,在果实的中心。它周围的空间,粉红色的果肉,撒着无数其他的种子。这些也是我们——生活在中央种子里——可以通过望远镜观察到的星系。

因为光的传播速度是有限的,所以我们看到的其他星系都是过去的样子。距离西瓜中心最远的种子是迄今为止看到的最早的星系,可以追溯到宇宙现在138亿年年龄的三十分之一的时候。除此之外,在西瓜皮的薄薄的绿色外层,有一些恒星出现之前的原始东西。这一层代表了宇宙只有38万年的历史,仍然是一锅温暖、发光的亚原子粒子汤。我们之所以了解那个时期,是因为它发出的光仍然在太空中荡漾——尽管它已经延伸了亿万年之久,现在只是微弱的微波辐射。

可观测宇宙中最神秘的部分是西瓜的另一层,即绿色外壳和粉红色果肉之间的那一层。这代表了宇宙历史的第一个十亿年。天文学家对这一时期的观测非常少,除了一些非常明亮的星系和其他天体。

然而,这是宇宙发生最剧烈变化的时期。我们知道这种转变的最终结果——毕竟我们在这里——但不知道它是如何发生的。第一批恒星是如何、何时形成的?它们是什么样子?黑洞在形成星系的过程中扮演了什么角色?暗物质的质量远远超过普通物质,被认为在很大程度上塑造了宇宙的演化,它的本质是什么?

一大批大大小小的射电天文学项目正试图绘制这一未知领域的地图。天文学家只有一个简单的信息来源——氢原子发射并吸收的单一孤立波长。大爆炸后,氢元素构成了几乎所有的普通物质。为了探测这种微妙的信号——氢光谱中的一条波长为21厘米的线——天文学家们在世界上一些最偏远的地方部署了更加灵敏的天文台,包括青藏高原湖泊上的一个孤立的筏子和加拿大北极的一个岛屿。

去年,在澳大利亚内陆的一个非常简单的天线“探测再电离信号全球周期实验”(EDGES),可能发现了最早恒星周围存在原始氢的第一个线索。现在,其他的实验已经接近于达到用3d绘制原始氢——以及早期宇宙——所需的灵敏度。马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理中心(CfA)的理论天体物理学家Avi Loeb说,这是现在“宇宙学的最后一个前沿”。它掌握着揭示一堆没有区别的、均匀的粒子是如何演化成恒星、星系和行星的关键。“这是我们起源故事的一部分——我们的根,”勒布说。

界限分明

大爆炸大约38万年后,宇宙膨胀和冷却到足以使主要由质子和电子组成的肉汤结合成原子。当时,氢在普通物质中占主导地位,但它既不发射也不吸收绝大多数电磁波谱中的光子。因此,它在很大程度上是看不见的。

但氢的单电子是个例外。当电子在两个方向之间切换时,它会释放或吸收一个光子。这两种状态具有几乎相同的能量,所以光子所构成的差异非常小。因此,光子具有相对较低的电磁频率,因此波长相当长,略大于21厘米。

正是这种氢的特征,在20世纪50年代揭示了银河系的螺旋结构。到20世纪60年代末,苏联宇宙学家拉希德·桑尼亚耶夫(Rashid Sunyaev)是最早意识到这条线也可以用于研究原始宇宙的研究人员之一,他现在在德国加兴的马克斯·普朗克天体物理研究所工作。由于宇宙的膨胀,这些21厘米长的光子的波长在今天大约在1.5到20米之间,相当于15到200兆赫(MHz)。

桑尼亚耶夫和他的导师、已故的雅科夫·泽尔多维奇(Yakov Zeldovich)想到利用原始氢信号来测试星系形成的一些早期理论。但是,他说自然“当我带着这个去找射电天文学家时,他们说,‘拉希德,你疯了!我们将永远无法观察到这一点。’”

早期宇宙再电离时代的模拟。新星系周围的电离物质(亮蓝色)将不再发射21厘米的辐射。中性氢仍在21厘米处发光,看起来很暗。资料来源:M.阿尔瓦雷斯,R.凯勒和T. Abel/ESO

问题是,氢线红移到无线电频谱的更深处,会非常微弱,似乎不可能与银河系和人类活动(包括调频广播电台和汽车火花塞)发出的射频信号的杂音隔离开来。

用21厘米的光子描绘早期宇宙的想法在过去30年里只受到零星的关注,但过去几年的技术进步使这项技术看起来更容易掌握。无线电探测的基本原理保持不变;许多射电望远镜都是用简单的材料建造的,比如塑料管和铁丝网。但是望远镜的信号处理能力已经变得更加先进。最初为游戏和移动电话开发的消费电子元件现在让天文台可以用相对较少的投资处理大量的数据。与此同时,理论宇宙学家一直在为21厘米宇宙学的前景提出更详细、更令人信服的理由。

黑暗与黎明

就在大爆炸后氢原子形成之后,宇宙中唯一的光就是今天到达地球的来自各个方向的微弱的长波长辐射——一种被称为宇宙微波背景(CMB)的信号。大约140亿年前,大爆炸的余辉在人类眼中是统一的橙色。然后,天空会变红,然后慢慢变暗,变成一片漆黑;由于背景辐射的波长继续延伸到红外光谱甚至更远,所以那里根本没有其他东西可以产生可见光。宇宙学家称这一时期为黑暗时代(参见“从地球的角度看早期宇宙”)。

来源:尼克·斯宾塞/《自然》杂志;图表改编自J. R. Pritchard & A. Loeb Phys。修订版D 82,023006(2010)。

随着时间的推移,理论家们认为宇宙的演化会在充满空间的氢上留下三种不同的印记。第一次事件发生在大爆炸后大约500万年,当时氢气冷却到足以吸收比它释放的更多的背景辐射。这一时期的证据今天应该可以在CMB光谱中探测到,即在某一波长的强度下降,这一特征被称为黑暗时代低谷。

第二次变化发生在大约2亿年后,那时物质聚集在一起,足以形成第一批恒星和星系。这个“宇宙黎明”向星系间空间释放了紫外线辐射,这使得那里的氢更容易吸收21厘米的光子。因此,天文学家期望在CMB光谱中看到另一个更短波长的第二次低谷或波谷;这是EDGES似乎已经检测到的特征。

宇宙形成5亿年后,氢会经历更剧烈的变化。来自恒星和星系的紫外线辐射足以使宇宙中的氢发出荧光,将其变成21厘米光子的发光源。但是离早期星系最近的氢吸收了太多的能量,以至于失去了电子,变暗了。在大约5亿年的时间里,随着星系的增长和合并,这些黑暗的电离气泡变得越来越大,在它们之间留下的发光的氢越来越少。即使在今天,宇宙中绝大多数的氢仍然处于电离状态。宇宙学家称这种转变为再电离时期(EOR)。

EOR是许多正在进行或准备中的21厘米射电天文学实验旨在探测的周期。他们希望通过拍摄不同波长的天空快照(即红移),绘制出它随时间演变的三维地图。伦敦帝国理工学院的天体物理学家艾玛·查普曼说:“我们将能够制作一部完整的电影。”这些气泡形成的时间、形状和增长速度的细节将揭示星系是如何形成的,以及它们产生了什么样的光。查普曼说,如果恒星完成了大部分的再电离,那么气泡将具有整齐、规则的形状。但是“如果有很多黑洞,它们就会变得更大,更自由,或者更稀疏,”她说,因为从黑洞喷射出来的喷流中的辐射比来自恒星的辐射更有能量和穿透力。

EOR还将为目前最好的宇宙演化模型提供前所未有的考验。虽然暗物质存在的证据很多,但没有人能确切地确定它是什么。来自EOR的信号将有助于表明暗物质是由相对缓慢或“冷”的粒子组成的——这是目前最受欢迎的模型——还是由更轻更快的“热”粒子组成的,英国曼彻斯特附近平方公里阵列(SKA)组织的天体物理学家Anna Bonaldi说。“暗物质的确切性质是处于危险中的事情之一,”她说。

尽管天文学家们迫切希望了解更多关于EOR的信息,但他们现在才开始接近探测它的能力。在这方面领先的是射电望远镜阵列,它比较来自多个天线的信号,以探测来自天空中不同方向的波的强度变化。

在追捕过程中最先进的工具之一是低频阵列(LOFAR),它分散在多个欧洲国家,并以荷兰埃克卢镇附近为中心。荷兰格罗宁根大学的天文学家莱昂·库普曼斯(Leon Koopmans)说,它是目前世界上最大的低频射电天文台,迄今为止只能对气泡的大小分布进行限制,从而排除了一些极端情况,比如星系间介质特别冷的情况。库普曼斯领导着LOFAR的EOR研究。在最近的升级之后,LOFAR的竞争对手,位于西澳大利亚沙漠的Murchison Widefield Array (MWA)进一步完善了这些限制,结果将很快公布。

在短期内,研究人员表示,测量eol的实际统计特性的最佳机会——而不是对它们施加限制——可能取决于另一项被称为再电离阵列氢纪元(HERA)的努力。该望远镜由一组300个抛物面天线组成,正在南非的北开普地区完成,并将于9月开始采集数据。MWA和LOFAR是一般用途的长波长天文台,而HERA的设计是为了探测原始氢而优化的。它紧凑的14米宽的天线覆盖波长从50到250兆赫。从理论上讲,这应该会使它对宇宙黎明低谷(当星系第一次开始照亮宇宙时)以及EOR敏感(参见“早期宇宙的地球视角”)。

与所有此类实验一样,HERA将不得不应对来自银河系的干扰。HERA的首席研究员,加州大学伯克利分校的射电天文学家Aaron Parsons警告说,来自我们银河系和其他星系的射频辐射比原始宇宙的氢谱线要响亮数千倍。幸运的是,银河系的辐射有一个平滑的、可预测的光谱,可以减去它来揭示宇宙学特征。然而,要做到这一点,射电天文学家必须确切地知道他们的仪器对不同波长的响应,也被称为系统学。周围环境的微小变化,如土壤湿度的增加或修剪附近的灌木丛,都会产生影响——就像你坐在房间里的位置不同,调频无线电信号的质量也会发生变化一样。

Parsons说,如果一切顺利,HERA团队可能会在几年内获得第一个EOR结果。澳大利亚墨尔本大学的天体物理学家、MWA合作项目的成员尼科尔·巴里(Nichole Barry)对它的机会充满热情:“HERA将有足够的灵敏度,如果他们能控制系统,那么就会爆炸!他们可以在很短的时间内进行测量。”

与所有现有阵列类似,HERA的目标是测量气泡的统计数据,而不是生成3d地图。天文学家对EOR的3d地图最大的希望在于耗资7.85亿美元的SKA,它预计将在未来十年上线。SKA是有史以来最雄心勃勃的射电天文台,它将被分成两个大陆,其中一半位于澳大利亚,被设计用来接收50到350兆赫的频率,这个频段与宇宙早期的氢有关。(另一半在南非,对更高的频率很敏感。)

克鲁马努人的宇宙观

尽管阵列变得越来越大,越来越昂贵,另一类21厘米的项目仍然保持低调。许多,如EDGES,用一个天线收集数据,目的是测量整个可用天空平均无线电波的某些特性。

这些项目使用的天线“相当克罗马努人”,CfA射电天文学家林肯·格林希尔说,他指的是设备的原始性质。但是研究人员花了数年的时间煞费苦心地调整仪器来影响他们的系统学,或者使用计算机模型来精确地计算出什么是系统学。格林希尔说,这是一种“受虐狂式的痴迷”,他领导着美国探测黑暗时代的大孔径实验(LEDA)项目。他经常独自前往位于加州欧文斯谷的LEDA天线进行实地考察,完成各种任务。这些措施可能包括在天线下方的沙漠地面上铺设一个新的金属屏幕,作为无线电波的镜子。

这些细微之处意味着社区在接受EDGES的发现方面进展缓慢。EDGES观测到的宇宙黎明信号也出乎意料地大,这表明大爆炸后大约2亿年的氢气比理论预测的要冷得多,可能是4开尔文,而不是7开尔文。自2018年初结果公布以来,理论家们已经写了几十篇论文,提出了可能冷却气体的机制,但许多射电天文学家——包括EDGES团队——警告说,在社区接受这些实验结果之前,需要重复实验结果。

LEDA现在正在尝试这样做,还有其他几个在更偏远和难以到达的地方进行的实验。印度班加罗尔拉曼研究所(Raman Research Institute)的拉维·萨勃拉曼扬(Ravi Subrahmanyan)正在研究一种名为SARAS 2的小型球形天线。他和他的团队把它带到青藏高原的一个地点,他们现在正在试验把它放在湖中央的木筏上。Subrahmanyan说,在淡水中,“你可以确信你有一个均匀的介质,”这可以使天线的响应比在土壤中更容易理解。

南非德班夸祖鲁-纳塔尔大学的物理学家辛西娅·蒋和她的同事们走得更远——在南极洲的中途,在遥远的马里恩岛——建立了他们的宇宙黎明实验,名为“在马里恩探测高z的无线电强度”。蒋现在在加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学,他也将前往一个新的地点,加拿大北极的阿克塞尔海伯格岛。它有有限的无线电干扰,研究小组希望能够探测到低至30兆赫兹的频率,这可以让他们探测到黑暗时代的低谷。

在如此低的频率下,高层大气成为观测的严重障碍。格林希尔说,地球上最适合做这些事情的地方可能是南极洲的高海拔地点Dome C。在那里,极光——干扰的主要来源——将在地平线以下。但其他人则把目光投向了太空,或者月球的背面。科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家杰克·伯恩斯说:“这是太阳系内部唯一没有无线电信号的地方。”他提出了在月球轨道上放置一个简单望远镜的建议,以及在月球表面部署一个机器人探测器阵列的建议。

其他一些更传统的技术已经开始探索宇宙历史的头十亿年,探测到一些星系和类星体——黑洞驱动的灯塔,它们是宇宙中最发光的现象之一。未来的仪器,特别是美国宇航局将于2021年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜,将带来更多这样的发现。但在可预见的未来,传统望远镜只能观测到一些非常明亮的天体,因此无法对天空进行任何形式的详尽调查。

许多宇宙学家的终极梦想是绘制一幅详细的3-D氢地图,不仅是在EOR时期,而且是一直追溯到黑暗时代。这涵盖了大量的空间:由于宇宙膨胀,宇宙历史的前10亿年占了目前可观测宇宙体积的80%。剑桥麻省理工学院的宇宙学家Max Tegmark说,到目前为止,对星系最好的三维观测——往往覆盖更近、更亮的物体——已经绘制了不到1%体积的详细地图。Loeb, Tegmark和其他人已经计算出EOR之前氢密度的变化包含了比CMB更多的信息,CMB迄今为止一直是测量宇宙主要特征的黄金标准。这些包括它的年龄,它所含暗物质的数量和它的几何形状。

绘制早期的氢将是一个巨大的技术挑战。西班牙巴塞罗那大学的宇宙学家Jordi Miralda-Escudé说,以目前的技术,这是如此具有挑战性,以至于是一个“白日梦”。

但是制作这样的地图的回报将是巨大的,勒布说。“21厘米的信号为我们提供了有史以来最大的宇宙数据集。”

本文转载已获授权第一次出版2019年8月14日