“刺探”宇宙最初10億年
宇宙如何從黑暗走向光明?暗物質(zhì)是“冷”還是“溫”?宇宙在最初的10億年經(jīng)歷了什么?這對(duì)于理解宇宙的奧秘非常重要。然而,由于宇宙的最初演化階段是一片黑暗的,要想探測(cè)到這個(gè)時(shí)期的情況無(wú)比困難,現(xiàn)有的光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡都無(wú)能為力。那用什么來(lái)進(jìn)行探測(cè)呢?氫原子的21厘米譜線幾乎是目前已知的唯一的直接探測(cè)手段。利用它,科學(xué)家可以探索宇宙最古老的樣子,拓展人類對(duì)宇宙的認(rèn)知。
1.最初10億年,宇宙如何從黑暗走向光明
宇宙如何從黑暗走向光明?這對(duì)于深刻認(rèn)識(shí)星系和宇宙結(jié)構(gòu)的形成和演化具有重要意義。
宇宙在年齡為38萬(wàn)年的時(shí)候,進(jìn)入了“黑暗時(shí)代”。宇宙中除了來(lái)自宇宙微波背景輻射(CMB)的光子之外,沒(méi)有其他發(fā)光天體。有的只是一片幾乎均勻的暗物質(zhì)和原子氣體,其中氣體以氫原子為主,氫約占四分之三質(zhì)量,氦約占四分之一。
“黑暗時(shí)代”持續(xù)了大約一億年左右。在這寂寞的一億年里,暗物質(zhì)在引力的作用下開(kāi)始形成暗暈團(tuán)塊,原子物質(zhì)也落入暗暈的引力勢(shì)阱中進(jìn)一步結(jié)團(tuán),最終最早的一批星系在暗暈中心誕生。
“宇宙黎明”開(kāi)始了,星系的光開(kāi)始照亮宇宙。
隨著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,逐步電離星系際介質(zhì)中的氫原子,同時(shí)恒星和黑洞產(chǎn)生的X射線也開(kāi)始對(duì)星系際介質(zhì)進(jìn)行加熱。最終,在宇宙年齡接近10億年的時(shí)候,宇宙星系際介質(zhì)中的氫原子幾乎被完全電離。這一氫原子被發(fā)光天體再次電離的過(guò)程稱為“宇宙再電離”。
那用什么來(lái)探測(cè)宇宙最初的10億年呢?由于宇宙的最初演化階段是一片黑暗的,光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡無(wú)能為力,要想探測(cè)到這個(gè)時(shí)期無(wú)比困難。事實(shí)上,宇宙第一代發(fā)光天體重新照亮宇宙的過(guò)程從未被人類有效探測(cè)到過(guò)。
目前,要想探測(cè)宇宙被第一代星系照亮的過(guò)程,氫原子的21厘米譜線幾乎是唯一的直接探測(cè)手段。利用這個(gè)工具,可以探索宇宙最古老的樣子,揭秘宇宙如何從黑暗走向光明。
氫原子的21厘米譜線又是什么呢?
氫原子可以在射電波段吸收或輻射光子,對(duì)應(yīng)光子的波長(zhǎng)約為21厘米,因此該譜線通常被稱為“21厘米譜線”。簡(jiǎn)單來(lái)講,在“黑暗時(shí)代”和“宇宙黎明”,氫原子氣體比宇宙微波背景更冷,它們會(huì)從微波背景中吸收21厘米光子;在“宇宙再電離”時(shí)期,氣體被加熱,氫原子會(huì)發(fā)射21厘米信號(hào)。因此,如果以CMB光子為背景光源,我們就可以對(duì)這些21厘米譜線的信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。這些21厘米譜線吸收和發(fā)射信號(hào)會(huì)幫助我們理解宇宙的早期演化歷史。
早期宇宙中氫原子的21厘米輻射的波長(zhǎng)會(huì)隨著宇宙的膨脹被拉伸得更長(zhǎng)。例如,“宇宙再電離”時(shí)期的21厘米信號(hào)的波長(zhǎng)在今天已經(jīng)被拉伸到1.5~2.3米;“黑暗時(shí)代”對(duì)應(yīng)的21厘米信號(hào)波長(zhǎng)已在6.5米以上。因此,我們需要用低頻射電天線來(lái)接收這些信號(hào)。
在“宇宙再電離”之后的時(shí)代,星系際介質(zhì)中幾乎已沒(méi)有中性氫了,但宇宙中仍然存在大量的中性氫原子,它們都藏身于星系之中。在現(xiàn)代宇宙中,星系中的中性氫仍在不斷地輻射21厘米譜線信號(hào)。如果可以用射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)這些信號(hào),那么就可以用21厘米譜線信號(hào)追蹤星系。從宇宙學(xué)的角度來(lái)看,就有了一個(gè)利用射電手段測(cè)量宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的方法。
中性氫原子的21厘米譜線為我們探索宇宙提供了巨大的機(jī)遇。首先,為我們打開(kāi)了觀測(cè)宇宙的新窗口,讓我們能夠利用氫原子的21厘米譜線作為信號(hào)在射電波段對(duì)宇宙演化進(jìn)行探測(cè)。其次,由于其在靜止系波長(zhǎng)(或頻率)是固定的,波長(zhǎng)的拉長(zhǎng)程度自動(dòng)就給出了源的紅移,因此利用這種譜線巡天可以有效對(duì)宇宙的演化進(jìn)行斷層掃描。再次,理論上可以利用21厘米譜線對(duì)CMB形成以后的整個(gè)宇宙演化歷史進(jìn)行探索。
也就是說(shuō),在早期宇宙探索中,以CMB光子為背景光源,可以做兩種21厘米譜線信號(hào)的觀測(cè),一個(gè)是全天平均頻譜測(cè)量,一個(gè)是斷層掃描測(cè)量。
這兩種觀測(cè)方式是最主流的21厘米譜線觀測(cè)方式。當(dāng)前的一些21厘米低頻探測(cè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)開(kāi)始以這兩種方式進(jìn)行觀測(cè),而且得到了一些初步的觀測(cè)數(shù)據(jù)。正在建設(shè)中的“平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡”(SKA)也準(zhǔn)備以這樣的方式開(kāi)始對(duì)“宇宙黎明”和“宇宙再電離”進(jìn)行探測(cè)。
2.暗物質(zhì)是“冷”還是“溫”?宇宙小尺度測(cè)量是關(guān)鍵
宇宙的第一代星系在暗物質(zhì)暈中形成。利用21厘米譜線觀測(cè),或許還可以幫助回答暗物質(zhì)是“冷”還是“溫”這一關(guān)鍵問(wèn)題。
根據(jù)宇宙學(xué)的觀測(cè),構(gòu)成我們世界的重子物質(zhì)(原子物質(zhì))只占宇宙中總能量的5%,而暗物質(zhì)則占了27%。暗物質(zhì)的本質(zhì),是當(dāng)前基礎(chǔ)科學(xué)中最重大的科學(xué)問(wèn)題之一。在當(dāng)前的宇宙學(xué)中,科學(xué)家提出三種有關(guān)暗物質(zhì)的理論模型——冷暗物質(zhì)模型、熱暗物質(zhì)模型和溫暗物質(zhì)模型。
宇宙在“嬰兒”時(shí)期非常熾熱,各種粒子頻繁碰撞,處于“熱浴”之中。暗物質(zhì)在宇宙“嬰兒”時(shí)期也處于“熱浴”之中,但它們的碰撞截面非常小,隨著宇宙膨脹,溫度快速下降,暗物質(zhì)很快就不再參與碰撞。
如果暗物質(zhì)退出碰撞時(shí),運(yùn)動(dòng)速度比較慢,無(wú)法達(dá)到光速,這就是冷暗物質(zhì)模型。如果其運(yùn)動(dòng)速度接近光速,就是熱暗物質(zhì)模型。由于熱暗物質(zhì)模型無(wú)法合理解釋宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成,因此冷暗物質(zhì)模型成為主流模型。
但冷暗物質(zhì)模型卻無(wú)法很好地解釋一些星系尺度上的問(wèn)題——在冷暗物質(zhì)模型中,星系的密度輪廓在星系中心形成陡峭的尖峰,而這與實(shí)際觀測(cè)明顯不符;在冷暗物質(zhì)模型中,大型星系周圍存在大量的“衛(wèi)星星系”,而在實(shí)測(cè)中看到的衛(wèi)星星系數(shù)量與之相比要少得多。
面對(duì)這樣的情況,溫暗物質(zhì)模型應(yīng)運(yùn)而生。在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成上,它也可以很好地解釋宇宙學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于運(yùn)動(dòng)速度快得多,相比于冷暗物質(zhì)模型,溫暗物質(zhì)模型可以在一定程度上“抹平”一些小尺度結(jié)構(gòu),從而彌補(bǔ)冷暗物質(zhì)模型的不足。
但暗物質(zhì)到底是“冷”還是“溫”?要想弄清楚這一點(diǎn),關(guān)鍵是要精確測(cè)量宇宙小尺度上的結(jié)構(gòu),可這是極其困難的。目前只有少數(shù)幾種觀測(cè)方法——如強(qiáng)引力透鏡觀測(cè)、賴曼—阿爾法森林觀測(cè)、銀河系衛(wèi)星星系觀測(cè)等,不過(guò)這些方法也都有局限性,目前尚不能從根本上解答問(wèn)題。
不過(guò),還有一種有趣的探測(cè)方法——“21厘米森林”觀測(cè)。當(dāng)背景源為射電噪類星體、伽馬射線暴的射電余暉等高紅移射電亮的點(diǎn)源時(shí),它們發(fā)出的光被其路徑上更冷的中性氫原子氣體云團(tuán)在21厘米波長(zhǎng)上吸收,那么在源的光譜上就會(huì)形成一系列密集的21厘米吸收線,這些森林狀的吸收線被形象地稱為“21厘米森林”。它對(duì)于小暗暈的尺度很敏感,提供了在宇宙黎明時(shí)期探測(cè)小至幾千秒差距尺度的獨(dú)一無(wú)二的手段。
如果能夠探測(cè)到這樣的21厘米吸收線,那么通過(guò)對(duì)吸收暗線的計(jì)數(shù),就可以對(duì)暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量進(jìn)行限制,從而回答暗物質(zhì)到底是冷還是溫這一基本問(wèn)題。
與此同時(shí),“21厘米森林”信號(hào)隨氣體溫度升高而減弱。實(shí)際上,宇宙早期的加熱歷史也是天體物理和宇宙學(xué)中一個(gè)基本且未解決的問(wèn)題,它與第一代星系的形成有直接的聯(lián)系。如果“21厘米森林”信號(hào)是可以被探測(cè)到的,那么它本身也會(huì)成為宇宙加熱歷史的絕佳探針。
然而,早期宇宙結(jié)構(gòu)形成的加熱效應(yīng)會(huì)輕易抑制“21厘米森林”信號(hào),使探測(cè)變得非常具有挑戰(zhàn)性——信號(hào)對(duì)溫度很敏感,一旦加熱比較嚴(yán)重,信號(hào)就會(huì)很容易被埋葬到噪聲中,以致于很難測(cè)到。
更棘手的是,暗物質(zhì)的性質(zhì)和“宇宙黎明”的加熱過(guò)程同時(shí)影響信號(hào),二者的效應(yīng)難以區(qū)分。因此,我們面對(duì)著雙重的難題,一是弱信號(hào)如何提取的問(wèn)題,二是暗物質(zhì)效應(yīng)與宇宙加熱效應(yīng)難以區(qū)分的問(wèn)題。
該如何來(lái)破解這些技術(shù)難題呢?有科學(xué)家提出用增加觀測(cè)時(shí)間的方法來(lái)解決弱信號(hào)提取問(wèn)題。這是因?yàn)椋瑢?duì)于明亮的高紅移類星體,觀測(cè)時(shí)間增加到1000小時(shí),非常弱的信號(hào)也有可能被提取出來(lái)。
即便有諸多優(yōu)點(diǎn)和不可替代性,“21厘米森林”也是一個(gè)非常冷門的宇宙學(xué)探針?,F(xiàn)實(shí)中根本不可能有任何射電望遠(yuǎn)鏡會(huì)給這樣一個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目如此多的觀測(cè)時(shí)間。這也是為何這一方法被提出20年來(lái)還沒(méi)有付諸實(shí)施的主要原因。
3.一石二鳥,我國(guó)科學(xué)家提出“21厘米森林”觀測(cè)新方法
不過(guò),東北大學(xué)和國(guó)家天文臺(tái)的聯(lián)合研究組最近在《自然-天文》發(fā)表了一項(xiàng)重要成果,解決了“21厘米森林”方法面對(duì)的難題,使得這項(xiàng)觀測(cè)有潛力同時(shí)測(cè)量暗物質(zhì)粒子質(zhì)量和宇宙黎明的加熱歷史,從而幫助闡明暗物質(zhì)的本質(zhì)和宇宙第一批星系的性質(zhì)。
這項(xiàng)研究提出了一個(gè)新穎的統(tǒng)計(jì)解決方案,通過(guò)測(cè)量“21厘米森林”的一維功率譜來(lái)同時(shí)解決弱信號(hào)提取問(wèn)題和簡(jiǎn)并問(wèn)題。
在頻率空間中,宇宙加熱很容易使信號(hào)幅度降低而被埋葬到噪聲中難以探測(cè)。但是,信號(hào)和噪聲的尺度依賴性是完全不同的,噪聲在不同尺度上沒(méi)什么差別,而信號(hào)代表著不同尺度的結(jié)團(tuán)情況,二者區(qū)別明顯。
因此,如果實(shí)施統(tǒng)計(jì)分析,把時(shí)間頻率測(cè)量轉(zhuǎn)換為空間頻率測(cè)量,那么在新的空間中信噪比即可顯著提升,而信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征也可隨之浮現(xiàn)。
特別是暗物質(zhì)效應(yīng)和宇宙加熱效應(yīng)對(duì)“21厘米森林”統(tǒng)計(jì)特征的影響是完全不同的,如此一來(lái),就可以通過(guò)該分析同時(shí)測(cè)量這兩種效應(yīng)。
我們借助高動(dòng)態(tài)范圍的跨尺度建模,模擬了“21厘米森林”的觀測(cè),從而進(jìn)一步利用模擬數(shù)據(jù)開(kāi)展貼近實(shí)際觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析研究。假設(shè)一個(gè)合理的觀測(cè)時(shí)間,例如100小時(shí),將觀測(cè)時(shí)間分成兩半,兩次測(cè)量的結(jié)果做交叉相關(guān)。對(duì)于信號(hào)來(lái)說(shuō),這就是自相關(guān)測(cè)量,而對(duì)于噪聲來(lái)說(shuō),交叉相關(guān)將可對(duì)其進(jìn)行抑制。這樣的測(cè)量方法極大地提升了探測(cè)的靈敏度。
模擬測(cè)量的結(jié)果表明,通過(guò)一維功率譜的幅度和形狀,將可以同時(shí)對(duì)溫暗物質(zhì)和宇宙加熱效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。在宇宙加熱程度不高的情況下,第一階段的SKA低頻陣將可以很好地測(cè)量到一維功率譜,而且有能力探測(cè)至較小的尺度;在宇宙加熱程度較高的情況下,如果有多個(gè)背景射電源可用,則用第二階段的SKA低頻陣仍可實(shí)現(xiàn)較好的探測(cè)。
測(cè)量“21厘米森林”的一維功率譜不僅可提高靈敏度,從而使探測(cè)成為可能,還提供了區(qū)分暗物質(zhì)效應(yīng)和早期宇宙加熱效應(yīng)的方法——對(duì)于暗物質(zhì)粒子質(zhì)量的限制,“21厘米森林”在高紅移處提供了一種可行的探測(cè)手段,探索了其他觀測(cè)無(wú)法觸及的尺度和紅移范圍。通過(guò)測(cè)量宇宙加熱水平,“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,從而幫助揭示宇宙中第一批發(fā)光天體的性質(zhì)。
這項(xiàng)研究清晰地展示了“21厘米森林”的一維功率譜確實(shí)可以成為一石二鳥的宇宙學(xué)探針,幫助推進(jìn)我們對(duì)早期宇宙的理解,并為窺探暗物質(zhì)和第一代星系的奧秘提供了極有前景的新途徑。
由于“21厘米森林”探測(cè)的實(shí)現(xiàn)與高紅移背景射電源的觀測(cè)密切相關(guān),因此下一步是繼續(xù)發(fā)展和建設(shè)大型射電望遠(yuǎn)鏡(如SKA),以提供足夠的靈敏度和角分辨率來(lái)觀測(cè)高紅移的射電亮源。
這一方法的發(fā)展對(duì)于解開(kāi)暗物質(zhì)和宇宙早期天體形成的奧秘具有重要意義,通過(guò)更深入的觀測(cè)和分析,我們有望在不久的將來(lái)獲得關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)和早期星系形成的更多見(jiàn)解,進(jìn)一步拓展對(duì)宇宙的認(rèn)知。
(作者:徐怡冬 張?chǎng)?,分別系中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員、東北大學(xué)教授)
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