想象一下,宇宙誕生后的最初數(shù)億年——那是一段比任何黑夜都要深邃的黑暗時(shí)期。第一批恒星尚未點(diǎn)燃,星系還未成形,整個(gè)宇宙被中性氫氣體籠罩著,如同一片沉默的迷霧。這便是天文學(xué)家口中的"再電離時(shí)代"(Epoch of Reionization)。當(dāng)?shù)谝慌阈呛秃诙唇K于誕生時(shí),它們的紫外線(xiàn)和X射線(xiàn)輻射開(kāi)始撕裂這片氫氣迷霧,重新將中性氫電離,宇宙從此迎來(lái)了光明。而這段史詩(shī)般的轉(zhuǎn)變,在宇宙中留下了一個(gè)獨(dú)特的印記——21厘米氫譜線(xiàn)信號(hào)。

這個(gè)信號(hào)就像一支"宇宙溫度計(jì)",記錄著早期宇宙氫氣體的溫度、狀態(tài)和結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代天文學(xué)家一直渴望捕捉到它,因?yàn)樗鼘⒔沂居钪胬杳鲿r(shí)分的真實(shí)面貌。最近,基于澳大利亞默奇森寬視場(chǎng)陣列(MWA)近十年觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的研究帶來(lái)了振奮人心的進(jìn)展:雖然尚未直接探測(cè)到這一信號(hào),但觀(guān)測(cè)結(jié)果已足以排除宇宙在那一時(shí)代處于極度寒冷的"冷啟動(dòng)"模式。這意味著,我們離聽(tīng)懂宇宙黎明的低語(yǔ),或許比想象中更近。

宇宙的故事始于約138億年前的大爆炸。在最初的38萬(wàn)年里,宇宙溫度極高,物質(zhì)以等離子體形式存在——電子和質(zhì)子無(wú)法結(jié)合,光子不斷被散射,宇宙一片混沌。隨著宇宙膨脹和冷卻,溫度降至約3000開(kāi)爾文,質(zhì)子和電子終于結(jié)合成中性氫原子。這一時(shí)刻被稱(chēng)為"復(fù)合時(shí)代",光子得以自由穿行,形成了我們今天觀(guān)測(cè)到的宇宙微波背景輻射。

但隨后,宇宙進(jìn)入了長(zhǎng)達(dá)數(shù)億年的"黑暗時(shí)代"——沒(méi)有恒星,沒(méi)有星系,只有中性氫氣體在引力作用下緩慢聚集。這段時(shí)期,宇宙就像一個(gè)巨大的暗室,等待著第一縷光明。直到大爆炸后8到10億年,引力終于將氫氣聚集到足夠高的密度,點(diǎn)燃了第一批恒星——天文學(xué)家稱(chēng)之為"第三星族星"。這些恒星質(zhì)量巨大,溫度極高,壽命短暫,但它們釋放的強(qiáng)烈紫外線(xiàn)輻射開(kāi)始電離周?chē)闹行詺?。與此同時(shí),第一批黑洞也在星系中心形成,吞噬物質(zhì)時(shí)釋放的X射線(xiàn)輻射穿透力極強(qiáng),能夠加熱和電離更遠(yuǎn)處的氫氣。

就這樣,宇宙從一個(gè)均勻的中性氫海洋,逐漸變成了一個(gè)由電離氣泡和中性氫島嶼交織而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程持續(xù)了數(shù)億年,被稱(chēng)為"再電離時(shí)代"。而中性氫原子有一個(gè)神奇的性質(zhì):它的質(zhì)子和電子都有自旋,當(dāng)兩者的自旋從平行翻轉(zhuǎn)為反平行時(shí),會(huì)釋放出一個(gè)光子,波長(zhǎng)正好是21厘米,對(duì)應(yīng)頻率約1.42 GHz。在再電離時(shí)代,大量中性氫的存在使得這個(gè)信號(hào)遍布整個(gè)宇宙。這個(gè)信號(hào)的強(qiáng)弱、頻率偏移與分布,直接反映了當(dāng)時(shí)氫氣體的溫度、密度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)——它就像一部記錄宇宙早期歷史的"錄音機(jī)"。

更重要的是,由于宇宙膨脹,這個(gè)信號(hào)的頻率會(huì)發(fā)生紅移。來(lái)自不同時(shí)期的信號(hào)會(huì)被紅移到不同的頻率,這使得天文學(xué)家可以通過(guò)觀(guān)測(cè)不同頻段,重建再電離時(shí)代的完整演化歷史——就像考古學(xué)家通過(guò)不同地層研究歷史一樣。

聽(tīng)起來(lái),探測(cè)21厘米信號(hào)似乎只需要一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡就夠了。但實(shí)際情況要復(fù)雜得多,這可能是天文學(xué)中最具挑戰(zhàn)性的觀(guān)測(cè)任務(wù)之一。首先,來(lái)自再電離時(shí)代的21厘米信號(hào)非常微弱,比銀河系本身的射電輻射弱數(shù)萬(wàn)倍。這就像在雷鳴般的交響樂(lè)中,試圖聽(tīng)清一根針掉落的聲音。而射電望遠(yuǎn)鏡接收到的信號(hào)中,絕大部分來(lái)自"前景"源:銀河系的同步輻射、河外射電星系、地球電離層的干擾、人造衛(wèi)星和地面無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的信號(hào),甚至望遠(yuǎn)鏡儀器本身產(chǎn)生的噪聲。這些干擾信號(hào)的強(qiáng)度往往是21厘米信號(hào)的數(shù)千到數(shù)萬(wàn)倍,如何將它們"剝離"出去,是最大的技術(shù)難題。

更棘手的是,隨著宇宙膨脹,原本1.42 GHz的21厘米信號(hào)被紅移到了更低的頻段,通常在50到200 MHz之間。在這個(gè)低頻段,地球電離層的影響更加嚴(yán)重,信號(hào)質(zhì)量更差。面對(duì)這些挑戰(zhàn),位于澳大利亞西部默奇森沙漠的默奇森寬視場(chǎng)陣列成為了探索再電離時(shí)代的先鋒。MWA選址在人跡罕至的荒漠深處,遠(yuǎn)離城市的無(wú)線(xiàn)電污染。這里的射電環(huán)境極其安靜,是地球上為數(shù)不多適合進(jìn)行低頻射電天文觀(guān)測(cè)的場(chǎng)所之一。MWA由128個(gè)"瓦片"組成,每個(gè)瓦片包含16個(gè)偶極天線(xiàn)。這種分布式設(shè)計(jì)使其具有極大的視場(chǎng),可以同時(shí)觀(guān)測(cè)大片天區(qū),大幅提高觀(guān)測(cè)效率。

研究團(tuán)隊(duì)利用MWA近十年的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),聚焦于宇宙誕生后約8億年時(shí)的氫氣狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)累積的觀(guān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)千小時(shí),是迄今為止最深、最長(zhǎng)的21厘米信號(hào)搜尋。更重要的是,團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)濾波技術(shù)來(lái)剝離前景干擾信號(hào)。這些技術(shù)利用前景信號(hào)在頻率上的平滑特性,將其與21厘米信號(hào)的快速頻率變化區(qū)分開(kāi)來(lái)。通過(guò)功率譜分析尋找21厘米信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征,同時(shí)精確建模并移除儀器和電離層引入的系統(tǒng)誤差。經(jīng)過(guò)這些處理,團(tuán)隊(duì)生成了迄今為止最"干凈"的早期宇宙低頻射電圖像。

雖然這項(xiàng)研究尚未直接探測(cè)到21厘米信號(hào)本身,但它取得了重要的科學(xué)突破:觀(guān)測(cè)結(jié)果足以排除宇宙在再電離時(shí)代處于極度寒冷的"冷啟動(dòng)"模式。在一些理論模型中,早期宇宙的星系際氫氣可能非常寒冷,溫度接近宇宙微波背景的溫度,只有幾開(kāi)爾文。如果是這樣,21厘米信號(hào)將呈現(xiàn)吸收特征,強(qiáng)度會(huì)非常大。但MWA的觀(guān)測(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)如此強(qiáng)的信號(hào)。這意味著在宇宙誕生后約8億年這一時(shí)間點(diǎn),星系際氫氣已經(jīng)被加熱到高于許多模型預(yù)期的溫度。

那么,是什么加熱了這些氫氣?最可能的候選者是早期黑洞的X射線(xiàn)輻射和第一代大質(zhì)量恒星。星系中心的超大質(zhì)量黑洞在吞噬物質(zhì)時(shí),會(huì)釋放強(qiáng)烈的X射線(xiàn)。X射線(xiàn)穿透力強(qiáng),能夠加熱和電離遠(yuǎn)離星系的氫氣。而那些質(zhì)量可能達(dá)到太陽(yáng)數(shù)百倍的第一代恒星,溫度極高,在短暫的生命結(jié)束時(shí)會(huì)以超新星形式爆發(fā),釋放大量能量。這個(gè)發(fā)現(xiàn)改變了我們對(duì)再電離時(shí)代節(jié)奏的理解:星系和黑洞可能比預(yù)想中更早、更猛烈地活躍起來(lái)。宇宙并非在極端寒冷狀態(tài)下慢慢等待黎明,而是更早、更快地被加熱和結(jié)構(gòu)化。

雖然仍未捕獲標(biāo)志性的21厘米信號(hào),但當(dāng)前研究成功設(shè)定了更嚴(yán)格的信號(hào)強(qiáng)度上限。這就像劃定了一個(gè)搜索范圍:我們現(xiàn)在知道信號(hào)一定比這個(gè)上限更弱,這為未來(lái)的直接探測(cè)提供了重要參考。這些約束條件也幫助理論學(xué)家改進(jìn)他們的宇宙演化模型,排除不符合觀(guān)測(cè)的理論,逐步逼近真相。

盡管MWA取得了重要進(jìn)展,但要直接探測(cè)到21厘米信號(hào),我們需要更強(qiáng)大的工具。這就是正在澳大利亞和南非建設(shè)的平方公里陣列。SKA的總收集面積達(dá)一平方公里,靈敏度將比現(xiàn)有設(shè)備提高50倍以上。這意味著SKA只需數(shù)小時(shí)觀(guān)測(cè),就能達(dá)到MWA需要數(shù)年才能實(shí)現(xiàn)的靈敏度。它能夠探測(cè)到更微弱的信號(hào),繪制更精細(xì)的宇宙再電離地圖,并且可以同時(shí)觀(guān)測(cè)多個(gè)紅移范圍,重建完整的再電離歷史。

更重要的是,MWA開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)處理、前景剝離和系統(tǒng)誤差校正技術(shù),將成為SKA和其他下一代射電望遠(yuǎn)鏡的寶貴經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。這些技術(shù)包括大數(shù)據(jù)處理流程(MWA每天產(chǎn)生數(shù)TB的數(shù)據(jù))、前景建模算法、實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)以及電離層校正方法。可以說(shuō),MWA不僅在推進(jìn)科學(xué)前沿,也在為整個(gè)領(lǐng)域培養(yǎng)技術(shù)能力和人才隊(duì)伍。除了MWA和SKA,全球還有多個(gè)項(xiàng)目在追尋21厘米信號(hào),比如南非的HERA專(zhuān)注于優(yōu)化前景剝離技術(shù),荷蘭的LOFAR利用歐洲的低頻陣列搜尋信號(hào),法國(guó)的NenuFAR則是新一代低頻射電望遠(yuǎn)鏡。這些項(xiàng)目相互補(bǔ)充,從不同角度攻克技術(shù)難題,共同推動(dòng)這一領(lǐng)域的進(jìn)步。

一旦成功捕獲21厘米信號(hào),將開(kāi)啟一個(gè)全新的研究領(lǐng)域——"21厘米宇宙學(xué)"。我們將能夠繪制再電離的三維地圖,看到電離氣泡如何成長(zhǎng)和合并,追蹤第一批天體的形成,識(shí)別第一批星系和黑洞的位置。更進(jìn)一步,我們還能用21厘米信號(hào)獨(dú)立測(cè)量宇宙膨脹率等基本參數(shù),甚至研究暗物質(zhì)分布,因?yàn)闅錃獾姆植际馨滴镔|(zhì)引力影響,21厘米信號(hào)可以追蹤暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)。這將是繼宇宙微波背景之后,人類(lèi)獲得的關(guān)于早期宇宙的第二個(gè)"全景快照"。

在這場(chǎng)穿越130億年的傾聽(tīng)中,我們不僅在尋找宇宙的起源,也在探索人類(lèi)自身在這浩瀚時(shí)空中的位置。因?yàn)闅w根結(jié)底,那些遙遠(yuǎn)的氫原子、那些最早的恒星和黑洞,正是構(gòu)成我們身體的元素的祖先。探聽(tīng)宇宙黎明的低語(yǔ),就是在聆聽(tīng)我們自己的誕生之歌。正如卡爾·薩根所說(shuō):"我們都是星塵。"而21厘米信號(hào),正是那些星塵最初形成時(shí)留下的回聲,等待著我們?nèi)ゲ蹲健⑷ダ斫?、去傳承?/p>