科普之窗

“刺探”宇宙最初10亿年

冯杰

2023-08-29 02:09

徐怡冬 张鑫
光明日报( 2023年08月10日 16版)

宇宙如何从黑暗走向光明?暗物质是“冷”还是“温”?宇宙在最初的10亿年经历了什么?这对于理解宇宙的奥秘非常重要。然而,由于宇宙的最初演化阶段是一片黑暗的,要想探测到这个时期的情况无比困难,现有的光学和红外望远镜都无能为力。那用什么来进行探测呢?氢原子的21厘米谱线几乎是目前已知的唯一的直接探测手段。利用它,科学家可以探索宇宙最古老的样子,拓展人类对宇宙的认知。

1.最初10亿年,宇宙如何从黑暗走向光明

宇宙如何从黑暗走向光明?这对于深刻认识星系和宇宙结构的形成和演化具有重要意义。

宇宙在年龄为38万年的时候,进入了“黑暗时代”。宇宙中除了来自宇宙微波背景辐射(CMB)的光子之外,没有其他发光天体。有的只是一片几乎均匀的暗物质和原子气体,其中气体以氢原子为主,氢约占四分之三质量,氦约占四分之一。

“黑暗时代”持续了大约一亿年左右。在这寂寞的一亿年里,暗物质在引力的作用下开始形成暗晕团块,原子物质也落入暗晕的引力势阱中进一步结团,最终最早的一批星系在暗晕中心诞生。

“宇宙黎明”开始了,星系的光开始照亮宇宙。

随着星系以及星系中的恒星和黑洞形成,恒星的紫外光子溢出星系,逐步电离星系际介质中的氢原子,同时恒星和黑洞产生的X射线也开始对星系际介质进行加热。最终,在宇宙年龄接近10亿年的时候,宇宙星系际介质中的氢原子几乎被完全电离。这一氢原子被发光天体再次电离的过程称为“宇宙再电离”。

那用什么来探测宇宙最初的10亿年呢?由于宇宙的最初演化阶段是一片黑暗的,光学和红外望远镜无能为力,要想探测到这个时期无比困难。事实上,宇宙第一代发光天体重新照亮宇宙的过程从未被人类有效探测到过。

目前,要想探测宇宙被第一代星系照亮的过程,氢原子的21厘米谱线几乎是唯一的直接探测手段。利用这个工具,可以探索宇宙最古老的样子,揭秘宇宙如何从黑暗走向光明。

氢原子的21厘米谱线又是什么呢?

氢原子可以在射电波段吸收或辐射光子,对应光子的波长约为21厘米,因此该谱线通常被称为“21厘米谱线”。简单来讲,在“黑暗时代”和“宇宙黎明”,氢原子气体比宇宙微波背景更冷,它们会从微波背景中吸收21厘米光子;在“宇宙再电离”时期,气体被加热,氢原子会发射21厘米信号。因此,如果以CMB光子为背景光源,我们就可以对这些21厘米谱线的信号进行探测。这些21厘米谱线吸收和发射信号会帮助我们理解宇宙的早期演化历史。

早期宇宙中氢原子的21厘米辐射的波长会随着宇宙的膨胀被拉伸得更长。例如,“宇宙再电离”时期的21厘米信号的波长在今天已经被拉伸到1.5~2.3米;“黑暗时代”对应的21厘米信号波长已在6.5米以上。因此,我们需要用低频射电天线来接收这些信号。

在“宇宙再电离”之后的时代,星系际介质中几乎已没有中性氢了,但宇宙中仍然存在大量的中性氢原子,它们都藏身于星系之中。在现代宇宙中,星系中的中性氢仍在不断地辐射21厘米谱线信号。如果可以用射电望远镜探测这些信号,那么就可以用21厘米谱线信号追踪星系。从宇宙学的角度来看,就有了一个利用射电手段测量宇宙大尺度结构的方法。

中性氢原子的21厘米谱线为我们探索宇宙提供了巨大的机遇。首先,为我们打开了观测宇宙的新窗口,让我们能够利用氢原子的21厘米谱线作为信号在射电波段对宇宙演化进行探测。其次,由于其在静止系波长(或频率)是固定的,波长的拉长程度自动就给出了源的红移,因此利用这种谱线巡天可以有效对宇宙的演化进行断层扫描。再次,理论上可以利用21厘米谱线对CMB形成以后的整个宇宙演化历史进行探索。

也就是说,在早期宇宙探索中,以CMB光子为背景光源,可以做两种21厘米谱线信号的观测,一个是全天平均频谱测量,一个是断层扫描测量。

这两种观测方式是最主流的21厘米谱线观测方式。当前的一些21厘米低频探测实验已经开始以这两种方式进行观测,而且得到了一些初步的观测数据。正在建设中的“平方公里阵列射电望远镜”(SKA)也准备以这样的方式开始对“宇宙黎明”和“宇宙再电离”进行探测。

2.暗物质是“冷”还是“温”?宇宙小尺度测量是关键

宇宙的第一代星系在暗物质晕中形成。利用21厘米谱线观测,或许还可以帮助回答暗物质是“冷”还是“温”这一关键问题。

根据宇宙学的观测,构成我们世界的重子物质(原子物质)只占宇宙中总能量的5%,而暗物质则占了27%。暗物质的本质,是当前基础科学中最重大的科学问题之一。在当前的宇宙学中,科学家提出三种有关暗物质的理论模型——冷暗物质模型、热暗物质模型和温暗物质模型。

宇宙在“婴儿”时期非常炽热,各种粒子频繁碰撞,处于“热浴”之中。暗物质在宇宙“婴儿”时期也处于“热浴”之中,但它们的碰撞截面非常小,随着宇宙膨胀,温度快速下降,暗物质很快就不再参与碰撞。

如果暗物质退出碰撞时,运动速度比较慢,无法达到光速,这就是冷暗物质模型。如果其运动速度接近光速,就是热暗物质模型。由于热暗物质模型无法合理解释宇宙大尺度结构的形成,因此冷暗物质模型成为主流模型。

但冷暗物质模型却无法很好地解释一些星系尺度上的问题——在冷暗物质模型中,星系的密度轮廓在星系中心形成陡峭的尖峰,而这与实际观测明显不符;在冷暗物质模型中,大型星系周围存在大量的“卫星星系”,而在实测中看到的卫星星系数量与之相比要少得多。

面对这样的情况,温暗物质模型应运而生。在宇宙大尺度结构的形成上,它也可以很好地解释宇宙学观测数据。由于运动速度快得多,相比于冷暗物质模型,温暗物质模型可以在一定程度上“抹平”一些小尺度结构,从而弥补冷暗物质模型的不足。

但暗物质到底是“冷”还是“温”?要想弄清楚这一点,关键是要精确测量宇宙小尺度上的结构,可这是极其困难的。目前只有少数几种观测方法——如强引力透镜观测、赖曼—阿尔法森林观测、银河系卫星星系观测等,不过这些方法也都有局限性,目前尚不能从根本上解答问题。

不过,还有一种有趣的探测方法——“21厘米森林”观测。当背景源为射电噪类星体、伽马射线暴的射电余晖等高红移射电亮的点源时,它们发出的光被其路径上更冷的中性氢原子气体云团在21厘米波长上吸收,那么在源的光谱上就会形成一系列密集的21厘米吸收线,这些森林状的吸收线被形象地称为“21厘米森林”。它对于小暗晕的尺度很敏感,提供了在宇宙黎明时期探测小至几千秒差距尺度的独一无二的手段。

如果能够探测到这样的21厘米吸收线,那么通过对吸收暗线的计数,就可以对暗物质粒子的质量进行限制,从而回答暗物质到底是冷还是温这一基本问题。

与此同时,“21厘米森林”信号随气体温度升高而减弱。实际上,宇宙早期的加热历史也是天体物理和宇宙学中一个基本且未解决的问题,它与第一代星系的形成有直接的联系。如果“21厘米森林”信号是可以被探测到的,那么它本身也会成为宇宙加热历史的绝佳探针。

然而,早期宇宙结构形成的加热效应会轻易抑制“21厘米森林”信号,使探测变得非常具有挑战性——信号对温度很敏感,一旦加热比较严重,信号就会很容易被埋葬到噪声中,以致于很难测到。

更棘手的是,暗物质的性质和“宇宙黎明”的加热过程同时影响信号,二者的效应难以区分。因此,我们面对着双重的难题,一是弱信号如何提取的问题,二是暗物质效应与宇宙加热效应难以区分的问题。

该如何来破解这些技术难题呢?有科学家提出用增加观测时间的方法来解决弱信号提取问题。这是因为,对于明亮的高红移类星体,观测时间增加到1000小时,非常弱的信号也有可能被提取出来。

即便有诸多优点和不可替代性,“21厘米森林”也是一个非常冷门的宇宙学探针。现实中根本不可能有任何射电望远镜会给这样一个观测项目如此多的观测时间。这也是为何这一方法被提出20年来还没有付诸实施的主要原因。

3.一石二鸟,我国科学家提出“21厘米森林”观测新方法

不过,东北大学和国家天文台的联合研究组最近在《自然-天文》发表了一项重要成果,解决了“21厘米森林”方法面对的难题,使得这项观测有潜力同时测量暗物质粒子质量和宇宙黎明的加热历史,从而帮助阐明暗物质的本质和宇宙第一批星系的性质。

这项研究提出了一个新颖的统计解决方案,通过测量“21厘米森林”的一维功率谱来同时解决弱信号提取问题和简并问题。

在频率空间中,宇宙加热很容易使信号幅度降低而被埋葬到噪声中难以探测。但是,信号和噪声的尺度依赖性是完全不同的,噪声在不同尺度上没什么差别,而信号代表着不同尺度的结团情况,二者区别明显。

因此,如果实施统计分析,把时间频率测量转换为空间频率测量,那么在新的空间中信噪比即可显著提升,而信号的统计特征也可随之浮现。

特别是暗物质效应和宇宙加热效应对“21厘米森林”统计特征的影响是完全不同的,如此一来,就可以通过该分析同时测量这两种效应。

我们借助高动态范围的跨尺度建模,模拟了“21厘米森林”的观测,从而进一步利用模拟数据开展贴近实际观测的数据分析研究。假设一个合理的观测时间,例如100小时,将观测时间分成两半,两次测量的结果做交叉相关。对于信号来说,这就是自相关测量,而对于噪声来说,交叉相关将可对其进行抑制。这样的测量方法极大地提升了探测的灵敏度。

模拟测量的结果表明,通过一维功率谱的幅度和形状,将可以同时对温暗物质和宇宙加热效应进行测量。在宇宙加热程度不高的情况下,第一阶段的SKA低频阵将可以很好地测量到一维功率谱,而且有能力探测至较小的尺度;在宇宙加热程度较高的情况下,如果有多个背景射电源可用,则用第二阶段的SKA低频阵仍可实现较好的探测。

测量“21厘米森林”的一维功率谱不仅可提高灵敏度,从而使探测成为可能,还提供了区分暗物质效应和早期宇宙加热效应的方法——对于暗物质粒子质量的限制,“21厘米森林”在高红移处提供了一种可行的探测手段,探索了其他观测无法触及的尺度和红移范围。通过测量宇宙加热水平,“21厘米森林”提供了限制第一代星系和第一批黑洞特性的方法,从而帮助揭示宇宙中第一批发光天体的性质。

这项研究清晰地展示了“21厘米森林”的一维功率谱确实可以成为一石二鸟的宇宙学探针,帮助推进我们对早期宇宙的理解,并为窥探暗物质和第一代星系的奥秘提供了极有前景的新途径。

由于“21厘米森林”探测的实现与高红移背景射电源的观测密切相关,因此下一步是继续发展和建设大型射电望远镜(如SKA),以提供足够的灵敏度和角分辨率来观测高红移的射电亮源。

这一方法的发展对于解开暗物质和宇宙早期天体形成的奥秘具有重要意义,通过更深入的观测和分析,我们有望在不久的将来获得关于暗物质性质和早期星系形成的更多见解,进一步拓展对宇宙的认知。

(作者分别系中国科学院国家天文台副研究员、东北大学教授)


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