宇宙黎明的印記
宇宙大爆炸發(fā)生后,氫原子最初形成時(shí)以相同的速率吸收并發(fā)射波長21厘米的輻射。所以,充滿原始宇宙的氫云團(tuán)實(shí)際上是不可見的。
之后,第一批恒星誕生,宇宙的黎明來臨。恒星發(fā)出的紫外線激發(fā)電子躍遷,使氫原子吸收的21厘米射電波比它們發(fā)射的更多。由于這種現(xiàn)象,我們能從地球上看到的電磁波強(qiáng)度會(huì)在某個(gè)頻率下降,它標(biāo)志著宇宙中第一批恒星點(diǎn)亮的時(shí)刻。
隨著時(shí)間推移,第一批恒星坍縮成黑洞。炙熱的氣體圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生X射線,加熱整個(gè)宇宙的氫云團(tuán),增加了21厘米波的發(fā)射速率,稍短波長的射電波強(qiáng)度提升。因此,最終的結(jié)果將是,我們會(huì)在一個(gè)狹窄的無線電波長范圍內(nèi),觀測到電磁波強(qiáng)度下降。
射電波在到達(dá)地球的過程中會(huì)被宇宙膨脹所拉伸。來自更遙遠(yuǎn)的氫云團(tuán)的波相比來自更近的氫云團(tuán)的波被拉伸的時(shí)間更長,因此到達(dá)地球時(shí)的波長會(huì)更長,這為天文學(xué)家提供了宇宙歷史事件的時(shí)間戳記錄。
半個(gè)多世紀(jì)以來,天文學(xué)家一直通過波長21厘米的電磁波研究附近的星系?,F(xiàn)在,通過一些設(shè)計(jì)巧妙的儀器,宇宙黎明時(shí)期的氫云團(tuán)發(fā)出的電磁波也成為了天文學(xué)家們尋找的目標(biāo)。
凹陷與平滑的光譜
2018年,位于澳大利亞腹地的EDGES天線觀測到來自宇宙的射電波在4米波長左右強(qiáng)度減弱。這項(xiàng)成果登上了《自然》雜志,被視為關(guān)于宇宙黎明的突破性發(fā)現(xiàn)。
不過有意思的是,EDGES所觀測到的射電波強(qiáng)度減弱與宇宙學(xué)家的預(yù)測有顯著差異,波谷的形狀和出現(xiàn)時(shí)間都與預(yù)期不符。EDGES的數(shù)據(jù)表明,第一批恒星出現(xiàn)的時(shí)間出人意料地早,X射線很快就涌入了宇宙;更奇怪的是,早期宇宙中的氫比理論模型預(yù)測的更冷。
世界各地的天文學(xué)家由此提出了許多理論猜想,比如認(rèn)為這是由于充滿宇宙的暗物質(zhì)產(chǎn)生的奇異作用。同時(shí),天文學(xué)家們也在并試圖證實(shí)EDGES所檢測到的信號(hào)的真實(shí)性。
2020年初,印度拉曼研究所(Raman Research Institute)的天文學(xué)家在印度的一對(duì)偏遠(yuǎn)湖泊上安裝了SARAS天線,以尋找EDGES所觀測到的射電波減弱現(xiàn)象。今年2月,研究團(tuán)隊(duì)在《自然·天文學(xué)》上報(bào)告了他們的結(jié)論:他們?cè)?米波長附近測量得到了一個(gè)平滑的譜,沒有觀測到EDGES報(bào)告的現(xiàn)象。
加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的射電天文學(xué)家亞倫·帕森斯(Aaron Parsons,沒有參與上述的兩項(xiàng)研究)說:“如果太空中真的存在這個(gè)信號(hào),我們應(yīng)當(dāng)能重復(fù)觀測到它?!?/p>
從未看到過的黎明?
或許,EDGES的觀測結(jié)果有一個(gè)更平淡的解釋。
氫原子從宇宙的黎明時(shí)代發(fā)出21厘米的電磁波輻射,到達(dá)地球時(shí)波長為數(shù)米。這與FM廣播和電視的波長范圍重疊,容易被無線電干擾所掩蓋,這也是為什么EDGES需要在那么偏遠(yuǎn)的地方運(yùn)行。不僅如此,這個(gè)信號(hào)還被銀河系亮數(shù)千倍的射電信號(hào)淹沒,而且在通過地球大氣層上層時(shí)被扭曲。
同樣重要的還有設(shè)備本身產(chǎn)生的細(xì)微影響。射電天線環(huán)境的擾動(dòng)可以輕微地改變其觀測的夜空區(qū)域。在如此精確的實(shí)驗(yàn)中,即使是幾十米外的表面發(fā)生的微弱的反射也會(huì)產(chǎn)生影響。這種反射的效果可能在特定的射電波長上增強(qiáng),導(dǎo)致天線的觀測區(qū)域在不同波長上有微小的不同,從而使不同波長下的射電波強(qiáng)度發(fā)生變化。
EDGES團(tuán)隊(duì)確實(shí)在他們的數(shù)據(jù)中看到了這種波動(dòng),而罪魁禍?zhǔn)谆蛟S是一塊30米寬的金屬板的邊緣,這塊金屬板被鋪設(shè)在天線周圍的地面上,以阻擋地面本身的發(fā)射的無線電波。研究團(tuán)隊(duì)在分析數(shù)據(jù)時(shí),已經(jīng)為可能存在的反射進(jìn)行了修正,但當(dāng)時(shí)有一些天文學(xué)家指出,如果修正稍有偏差,就可能造成一個(gè)在狹窄的波長范圍內(nèi)射電波強(qiáng)度下降的信號(hào),與真正的宇宙黎明信號(hào)無法區(qū)分。
更精密的實(shí)驗(yàn)
SARAS團(tuán)隊(duì)為了追求在所有波長上更均勻的靈敏度,采用了一種不同的方法來設(shè)計(jì)天線。SARAS論文的主要作者蘇拉布·辛格(Saurabh Singh)表示,整體的設(shè)計(jì)原則就是維護(hù)光譜的平滑性。
科學(xué)家們把鋁制的錐形錐天線放在泡沫塑料板做成的小筏上,使其漂浮在平靜的湖面中央,以確保在任何水平方向上100米內(nèi)都不會(huì)有反射。帕森斯稱這個(gè)方法非常巧妙且新穎。
此外,水中光速的減慢也削弱了來自湖底的反射的影響。并且,密度均勻的水體使實(shí)驗(yàn)環(huán)境更容易建模。
最終,SARAS而沒有觀測到EDGES所報(bào)告的射電波強(qiáng)度減弱的跡象。這種現(xiàn)象是否真實(shí)存在還有待確定。帕森斯強(qiáng)調(diào),SARAS團(tuán)隊(duì)需要做更多的工作來闡釋測量結(jié)果的細(xì)微之處。
亞利桑那州立大學(xué)的EDGES實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人賈德·鮑曼(Judd Bowman)認(rèn)為,仍需要進(jìn)一步的研究以解決這個(gè)問題。他在電子郵件中寫道:“我們很高興看到他們的初步觀測結(jié)果??紤]到進(jìn)行這類觀測的難度,評(píng)估這項(xiàng)新成果并將其納入正在進(jìn)行的調(diào)查還有很長的路要走?!?/p>
加拿大麥吉爾大學(xué)(McGill University)的射電天文學(xué)家H·辛西婭·蔣(H。 Cynthia Chiang,沒有參與這兩個(gè)實(shí)驗(yàn))表示,EDGES和SARAS的校準(zhǔn)和分析步驟都做得非??b密,所以現(xiàn)在判斷哪個(gè)結(jié)果是正確的還為時(shí)過早?!岸叩姆制缌钊藷o法忽視,事情遠(yuǎn)沒有結(jié)束。在我看來,這反而令人興奮。”
蔣正在領(lǐng)導(dǎo)另一項(xiàng)名為PRIZM的后續(xù)實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)將在南非以南1000千米外的一個(gè)小島上進(jìn)行。在那里幾乎不存在任何無線電干擾,而這正是SARAS面對(duì)的主要挑戰(zhàn)。
帕森斯預(yù)計(jì)SARAS的零結(jié)果將是最后的贏家。果真如此的話,這可能意味著宇宙黎明發(fā)出的信號(hào)太微弱,以至于目前的儀器無法識(shí)別。但帕森斯也表示,這不會(huì)抹去EDGES的巨大創(chuàng)新對(duì)這一領(lǐng)域的推動(dòng)作用。