默奇森廣域陣列是澳大利亞內(nèi)陸的一個射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò),科學(xué)家利用該陣列在天空中搜尋中性氫的蹤跡,這可能是宇宙黑暗時代最后的遺存
今天,世界各地的望遠(yuǎn)鏡都在試圖一窺這些原始的氫(被稱為中性氫原子),以確定黑暗時代最終結(jié)束,以及第一個星系形成的時刻。雖然這些古老的原子非常難以捉摸,但在澳大利亞內(nèi)陸進(jìn)行觀測的一組研究人員可能已經(jīng)十分接近找到它們。
根據(jù)發(fā)表在預(yù)印本數(shù)據(jù)庫arXiv上的一項新研究,天文學(xué)家使用默奇森廣域陣列(Murchison Widefield Array,簡稱MWA)射電望遠(yuǎn)鏡深入觀察宇宙的過去,搜尋中性氫的標(biāo)志性波長。這項研究的結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在近期的《天體物理學(xué)雜志》(Astrophysical Journal)上。遺憾的是,研究人員沒有找到想要找的東西,但利用望遠(yuǎn)鏡陣列最近更新的設(shè)置,研究小組確定了中性氫信號強度的最低限度。
研究報告的合著者、美國布朗大學(xué)物理學(xué)助理教授喬納森·蒲柏(Jonathan Pober)說:“我們可以有把握地說,如果中性氫信號比我們在論文中設(shè)定的極限更強,那望遠(yuǎn)鏡就會探測到它們?!边@意味著尋找這些古老分子的工作仍在繼續(xù),而研究人員現(xiàn)在知道,中性氫的痕跡其實比預(yù)期的更加模糊。
第一個原子
貫穿早期宇宙的能量是如此之強,以至于每個原子的電子都被奪走,從而獲得一個正電荷。第一個原子是帶正電荷的氫離子。在數(shù)十萬年的時間里,宇宙冷卻并膨脹到足以讓這些氫離子重新獲得電子,再次變成中性。這些中性的氫原子被認(rèn)為是宇宙黑暗時代的主要特征。最終,當(dāng)足夠多的原子聚集在一起,形成第一批恒星時,這些原子又會被這些恒星的輻射能量重新電離。
科學(xué)家已經(jīng)知道,中性氫發(fā)出的輻射波長為21厘米。然而,隨著宇宙在過去的120億年里不斷膨脹,這些波長也被拉長了。據(jù)這項新研究的作者估計,中性氫的波長已經(jīng)延伸到大約2米,而他們正是利用WMA望遠(yuǎn)鏡在天空中搜索這一信號。
問題是,有許多光源(包括人造的和天然的)都以相同的波長輻射?!八羞@些其他光源都比我們試圖探測的信號強很多個數(shù)量級,”蒲柏說,“即使是從一架恰好經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡上方的飛機反射回來的調(diào)頻無線電信號,也足以污染數(shù)據(jù)?!?/p>
因此,蒲柏和同事們寫了一組方程,以在觀察結(jié)果中識別并去除這些干擾。在拍攝了1200多張?zhí)炜盏臒o線電波快照后,研究人員確定,他們發(fā)現(xiàn)的每一個2米波長的痕跡信號都來自于中性氫以外的其他來源。
雖然最重要的中性氫原子信號仍未被發(fā)現(xiàn),但這項新研究成功縮小了未來尋找中性氫的范圍。研究人員稱,這些結(jié)果有力地表明,MWA望遠(yuǎn)鏡的觀測正引導(dǎo)我們沿著正確的道路尋找中性氫。隨著進(jìn)一步的研究,宇宙黑暗時代的最后遺跡可能很快就會被發(fā)現(xiàn)。
什么是宇宙的“黑暗時期”?
宇宙演化歷史中的“黑暗時期”指的是大爆炸結(jié)束時的等離子體復(fù)合到第一代恒星開始形成的使其。此前的宇宙中充滿高能量的光子,導(dǎo)致宇宙中的普通物質(zhì)(主要是氫和氦)處于電離狀態(tài)。大爆炸后約40萬年時,隨著宇宙膨脹,這些光子的能量不足以再電離氫和氦,于是自由電子與氫、氦原子構(gòu)成中性原子。隨著自由電子消失,光子可以自由傳播,不再發(fā)生散射,從而使宇宙變得透明。這些光子最終紅移至微波波段,形成今天我們所觀測到的宇宙微波背景輻射。此時的宇宙十分均勻,沒有恒星,除了氫、氦和少量在大爆炸核合成時期產(chǎn)生的輕核如氘、氦-3、鋰之外也沒有其他元素,因此被稱為黑暗時期。
目前,現(xiàn)有的天文觀測可以看到黑暗時期之前的宇宙,即宇宙微波背景輻射;也能夠看到黑暗時期之后的宇宙,包括恒星、星系、類星體等,但仍然無法觀測到黑暗時期的宇宙。了解并觀測這段時期發(fā)生的物理過程是天文學(xué)中非常重要的科學(xué)問題。