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黑暗时代的秘密，21cm谱线或可揭晓，宇宙学路漫漫

【黑暗时代的秘密，21cm谱线或可揭晓，宇宙学路漫漫】宇宙可能是从一声巨响开始的 ， 回声远去 ， 此后需要相当长的时间 ， 宇宙交响乐才开始 。 在第一次形成中性原子的宇宙微波背景（CMB）形成和第一颗恒星形成之间 ， 有一亿年的时间宇宙归于黑暗 。 “黑暗时代”到目前为止还完全没有被观测到 ， 但这种情况很快就会改变 。
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黑暗时代也许能回答许多紧迫的问题 。 在这一时期 ， 宇宙的大部分质量是以轻原子（主要是氢）和暗物质的形式存在的 。 原子在引力的作用下缓慢地聚集起来 ， 最后点燃了第一颗恒星 。
在第一颗恒星出现之前 ， 天体物理过程很少 ， 而黑暗时代氢的分布则携带着关于结构形成的非常清晰的信息 。 关于暗物质的行为和形成的结构的大小细节都编码在这些氢云中 。 但是我们怎么能看到黑暗呢？
幸运的是 ， 这些黑暗时代并不完全黑暗 ， 只是非常暗淡 。 那时 ， 充满宇宙的氢原子经常碰撞在一起 ， 这会使电子的自旋发生翻转 。 电子的能量变化很小 ， 能量取决于电子的自旋是与原子核的自旋对齐 ， 还是指向相反的方向 。 这种非常小的能量差被称为“超精细分裂” 。 将氢电子的自旋从对准状态翻转到反对准状态 ， 从而导致一个非常低能光子的发射 。 由于高能光子波长短 ， 而低能光子波长长 ， 这种超精细跃迁将产生波长为21厘米的光子 。 如果我们能追踪这些21厘米光子的发射 ， 我们就能追踪氢的分布 。 但21厘米是大约在130亿年前发射的光子的波长 。
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从那以后 ， 宇宙显著膨胀 ， 光子的波长也随之拉长 。 波长被拉伸的程度取决于它是在黑暗时代的早期还是晚期发射的 。 同时 ， 早期的光子被拉伸了约1000倍 ， 导致现在它的波长有几百米 。 在黑暗时代末期发射的光子并没有被拉伸得那么长 ， 它们现在的波长“只有”几米 。
21厘米天文学最令人兴奋的是 ， 它不仅给我们提供了一个特定时刻的快照——就像CMB一样——而且允许我们在黑暗时代连续绘制不同时期的地图 。 通过测量不同波长的红移光子 ， 我们可以观测整个时间段 。 这将给我们许多关于宇宙历史的新见解 。
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图解：左图中显示了宇宙黑暗时代末期的红外光 ， 已除去（前景）恒星 。 21厘米的天文学将能够探测更远的地方 。 右图是前景天体 。 图源：NASA/JPLCaltech/A.Kashlinsky（GSFC） 。
人们还不清楚黑暗时代是如何结束的 ， 以及第一颗恒星是如何形成的 。 黑暗时代止于再电离阶段 ， 在这个阶段 ， 强烈的紫外星光再次剥离其电子的中性氢 。 这种再电离被认为是由来自第一颗恒星的辐射引起的 ， 但我们不知道这一过程究竟有多复杂 。 由于电离氢不能再发射出超精细线 ， 21厘米天文学可揭秘电离区是如何形成的 ， 以及许多关于早期恒星天体和星系间介质的行为 。
21厘米天文学也能帮助解开暗物质之谜 。 如果暗物质自周年化 ， 这会影响中性氢的分布 ， 而中性氢可以用来约束或排除某些暗物质模型 。
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图解：宇宙中暗物质分布的三维地图 。 21厘米天文学将使我们能够比用来制作这张地图的弱透镜技术更精细、更早地探测这一结构 。 图源：NASA/ESA/RichardMassey（加州理工学院） 。
膨胀模型也可以用这种方法来探索：21cm天文学能够绘制的结构分布带有量子涨落的印记 。 这些波动取决于膨胀的场的类型及其势的分布 。 因此 ， 在黑暗时代已经存在的结构相关性排除了某些膨胀类型 。
也许最令人兴奋的是 ， 黑暗时代可能会让我们窥见宇宙弦 ， 一个具有高密度和高引力的一维物体 。 在弦现象学的许多模型中 ， 宇宙弦可能在膨胀结束、黑暗时代开始之前产生 。 通过扭曲氢云 ， 宇宙弦在21厘米发射光谱中留下特征信号 。
但是测量这个波长的光子并不容易 。 银河系也有这样的辐射源 ， 这就产生了一个不可避免的银河系前景 ， 必须加以解析和删减 。 此外 ， 地球大气层会使信号失真 ， 一些无线电广播会干扰测量 。 尽管如此 ， 天文学家们已经迎接了挑战 ， 第一架寻找早期宇宙21厘米信号的望远镜已经投入使用 。
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图解：Murchison宽场阵列（MWA）中的一个模块 。 图源：NatashaHurley-Walker博士 。
低频阵列（LOFAR）于2012年底上线 。 它的主望远镜位于荷兰 ， 但它结合了欧洲其他24个望远镜的数据 ， 对30米大小的波长非常敏感 。 澳大利亚的MurchisonWidefield阵列（MWA）对几米波长敏感 ， 2013年开始采集数据 。 而在2025年 ， 平方公里阵列计划落成 。 这个澳大利亚和南非的联合项目将是世界上最大的射电望远镜 。
天文学家的理想依然是彻底消除地球大气造成的误差 。 他们最雄心勃勃的计划是在月球的远端安装一系列望远镜 。 但不幸的是 ， 这个想法很牵强——更不用说资金不足了 。
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图解：ESO/M.Kornmesser ， CR7 ， 第一个被认为是星族Ⅲ聚居地的星系 ， 宇宙中第一颗恒星可能诞生于此 。
几十年前 ， 宇宙学还是一门缺乏数据的学科 ， 许多人认为它更接近哲学而不是科学 。 今天 ， 它是一个基于高精度测量的研究领域 ， 其数据覆盖了整个电磁频谱 。 科技的进步和我们对宇宙历史的理解一直是惊人的 ， 但我们才刚刚开始 。 接下来才是有诸多信息要挖掘的“黑暗时代” 。
作者:SabineHossenfelder
FY:也么
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