物理學家競相再現「宇宙黎明」信號

物理學家競相再現“宇宙黎明”信號

美國加州歐文斯谷射電天文台進行了LEDA實驗。圖片來源：Danny C. Price

研究人員正前往地球上一些最偏遠的地方——從青藏高原到南極島嶼——試圖捕捉來自早期宇宙的神秘無線電信號。今年2月，天文學家宣布已經看到了宇宙中第一批恆星的亮光，這被稱為宇宙黎明。

監測來自宇宙黎明（最早的恆星形成階段）信號的國際合作項目正在進行中。人們預測，恆星在宇宙早期一旦形成，它們的紫外光便滲入原始氫氣，改變氫原子中電子的激發態。該轉化過程被稱為中性氫21釐米譜線，它可使氫氣吸收來自宇宙微波背景的光子，在無線電頻譜中留下記號，該頻譜可在低於200兆赫的無線電頻率中觀察到。

當觀察小組試圖在地球上少數幾個相對不受無線電干擾的地方復制這些發現時，理論家們則在努力理解這個信號。美國哈佛大學天體物理學家Apaham Loeb說：“這個信號看起來不像我們預期的那樣。”

在澳大利亞內陸地區，利用一組看似簡單的、桌子大小的無線電天線，EDGES項目研究人員報告了最初的檢測結果。這個實驗測量了宇宙微波背景的長波長部分，即大爆炸後發出的嘈雜的餘輝。研究人員正在尋找背景光譜的微妙下降。宇宙學家推測，這樣的下降應該是由第一顆恆星發出的光引起的，這使得宇宙中的原始氫在特定的無線電波長上變得不那麼透明了。這種吸收的細節應該包含關於早期星際物質和發光恆星的信息。

但這一光點的形狀出人意料。美國亞利桑那州立大學天文學家Judd Bowman和同事報告在78兆赫監測到這樣的一個信號。他們發現觀察到的頻譜寬度與預計的基本一致，但是它的振幅更大（吸收更深）。研究表明，在大爆炸後約1.5億年裡，吸收開始迅速增加，而在2億到2.5億年前大致保持不變，然後相對較快地消失。而吸收更深意味著在那個時期，氣體比預期的要冷——可能是4開爾文而不是7開爾文。

EDGES團隊花了兩年時間反複檢查這個特殊結果，然後才決定發表。Bowman說：“你發表論文的原因是為了讓更多的人去解決一個你自己無法回答的問題。”

自那以後，研究人員已經發表了幾十份預印本論文，試圖解釋這種異常現象。一些物理學家認為，這可能是以前未被發現的普通物質和暗物質之間的相互作用的跡象。另一些人則看到了相反的情況：可能暗示著暗物質的缺失。

由於陷入了僵局，研究人員正試圖從4個大洲的偏遠地區收集新數據。有些人可能會在幾個月內得到第一個結果。

Bowman團隊現在開始用一種新的、更小的天線進行新一輪觀測。有“初步證據”表明，新天線仍然能看到原始線索。他補充說，該團隊將在9月恢復觀測，這時銀河中心——這支無線電波段的主要外地干擾源——在澳大利亞的天空中處於有利位置。

EDGES是幾個試圖研究宇宙最初歷史的項目之一，它的競爭對手現在也在試圖重現它的結果。近日，哈佛—史密森天體物理中心的射電天文學家Lincoln Greenhill飛往加州的干旱的歐文斯谷，測試了一個改良版的大孔徑實驗探測黑暗時代（LEDA）。

但Greenhill 指出，EDGES的信號似乎集中在大約78兆赫的地方，所以LEDA可能已經錯過了目標。（EDGES在50兆赫和100兆赫之間是敏感的。）他和合作者正在測試濾光片，以便能探測到更高的頻率。Greenhill說，如果事情進展順利，可能需要幾個月收集足夠的數據並進行分析。

同時，印度拉曼研究所的Ravi Supahmanyan和同事多年來關注略高頻段——110至200兆赫，並使用名為SARAS-2的球形天線。他們最初的目標是探測一種現象，這種現象發生在宇宙黎明之後很久。而在其中，星光將氫氣變成了等離子體。但是在EDGES得出結果後，團隊很快就建設了一個對低頻敏感的天線。

Supahmanyan團隊計劃5月份在距離市區100公裡的地方部署新天線，那裡的無線電干擾很低。後來，他們又計劃把它搬到西藏高原上一個更偏遠的地方。

南非誇祖盧-納塔爾大學物理學家Jonathan Sievers說，現在沒有無線電干擾的地方是極其罕見的，但是“我們可能擁有地球上乾擾最小的地方”。這個地點位於馬裡恩島，唯一的到達那裡的是一艘南非的海洋船。由該大學物理學家Cynthia Chiang領導的團隊，去年在那裡設置了宇宙黎明實驗，探測高Z無線電強度。但馬裡昂站受到持續風雨的打擊，最近還出現了電力發電機問題。

但就像以色列特拉維夫大學宇宙學家Rennan Barkana所說的，“除了等待更多的觀察結果之外，別無選擇。”

參考來源