宇宙第一束光：解開宇宙的秘密

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】很久以前，宇宙開始（大爆炸）之後大約40萬年，宇宙是黑暗的。沒有恆星或星系，宇宙中主要充滿了中性的氫氣。然後在接下來的50~1億年里，重力慢慢地把密度最大的區域拉到一起，直到最終氣體在一些地方坍縮形成了第一批恆星。那些最初的恆星是什麼樣子的？它們是什麼時候形成的？它們是如何影響宇宙的其他部分的？這是天文學家和天體物理學家長期以來一直在思考的問題。現在經過12年的實驗，由地球和太空探索天文學家Judd Bowman領導的一個科學家小組發現了宇宙中最早的恆星的特徵指紋。

藝術繪製展示了宇宙的第一個，巨大的，藍色的恆星嵌在氣體的細絲中，宇宙微波背景只是在邊緣可見。來自亞利桑那州立大學的nsf資助的研究人員Judd Bowman和他們的同事通過對遙遠宇宙的無線電觀測，發現了這些早期恆星對原始氣體的影響。雖然他們不能直接看到大質量恆星發出的光，但鮑曼的團隊能夠從宇宙微波背景(CMB)的暗調中推斷出它們的存在，這是吸收恆星紫外光的氣體細絲的結果。CMB比預期的更暗淡，這表明絲可能比預期的更冷，可能來自與暗物質的相互作用。圖片版權：N.R.Fuller, National Science Foundation

利用無線電信號，這一發現為我們的宇宙譜系樹中最古老的祖先提供了第一個證據，這棵樹誕生於宇宙誕生後的1.8億年前。有一個很偉大的技術挑戰做這個檢測，噪音的來源可以一千倍的亮度信號——就像在颶風並試圖聽到蜂鳥的翅膀的拍打。Peter Kurczynski說：美國國家科學基金會項目官員支持本研究，這些研究人員在沙漠中使用小型無線電天線比最強大的太空望遠鏡看得更遠，打開了早期宇宙的新窗口。

射電天文學

為了找到這些特徵指紋，鮑曼的研究小組使用了一種地面儀器，叫做無線電光譜儀，位於澳大利亞西部的國家科學機構(CSIRO) Murchison無線電天文台(MRO)。通過他們的實驗來檢測全球的EoR特徵(邊緣)，研究小組測量了所有南半球天空中接收到的所有天文信號的平均無線電頻譜，並尋找能量的微小變化作為波長(或頻率)的函數。當無線電波進入地面天線時，它們被接收器放大，然後通過計算機進行數字化和記錄，類似於調頻無線電接收器和電視接收器的工作方式。不同之處在於，這台儀器的校準非常精確，而且設計得要儘可能均勻地在許多無線電波中進行。

在每一種儀器中，無線電波都是由一個由兩個矩形金屬板組成的天線收集的，這些金屬板水平地安裝在金屬網上方的玻璃纖維腿上。邊緣檢測要求Murchison無線電天文觀測站的無線電靜音，因為澳大利亞的國家立法限制了在該地點附近使用無線電發射機。這一發現為後續觀測提供了其他強大的低頻設施，包括HERA和即將到來的SKA-low。圖片版權：CSIRO Australia

在這項研究中，無線電光譜儀檢測到的信號來自於原始的氫氣，它充滿了年輕的宇宙，並且存在於所有的恆星和星系之間。這些信號蘊含著豐富的信息，為早期恆星(以及後來的黑洞和星系)的形成和演化打開了新的窗口。鮑曼說：在我們的有生之年不太可能看到恆星的歷史。這個項目表明，一種有前途的新技術可以發揮作用，為幾十年來新的天體物理學發現鋪平了道路。

這一發現突出了MRO的特殊的無線電靜音，尤其是當邊緣重疊的特徵與FM廣播電台使用的頻率範圍重疊時。澳大利亞的國家立法限制在161.5英里(260公里)內使用無線電發射機，大大減少了干擾，否則可能會淹沒敏感的天文觀測。這項研究的結果最近由鮑曼在《自然》雜誌上發表，麻省理工學院的Haystack天文台的Alan Rogers，科羅拉多大學的Raul Monsalve，以及ASU的地球和太空探索學院的Thomas Mozdzen和Nivedita Mahesh共同發表了這一研究成果。

意想不到的結果

實驗結果證實了最初恆星形成時的一般理論預期和早期恆星最基本的性質。麻省理工學院的Haystack天文台的合著者羅傑斯說：這一時期發生了什麼？是一些來自第一顆恆星的輻射開始讓氫被看到。它導致氫開始吸收背景輻射，所以開始看到它的輪廓，特別是無線電頻率。這是恆星開始形成的第一個真實信號，並開始影響周圍的介質。該團隊最初調整了他們的儀器，以在宇宙時間後觀察，但在2015年決定擴大搜索範圍。一旦我們把系統調到這個低的範圍，我們就開始看到我們覺得可能是真正的特徵簽名。

宇宙的時間線，在第一批恆星出現時更新。這個更新的宇宙時間軸反映了最近的發現，即在大爆炸後的1.8億年後出現了第一批恆星。這個時間線的研究是由亞利桑那州立大學的Judd Bowman和他的同事在國家科學基金會的資助下進行的。圖片版權：N.R.Fuller, National Science Foundation

我們看到這種下降最強烈的頻率大約是78兆赫，而這一頻率相當於大爆炸後大約1.8億年。就直接探測氫氣本身發出的信號而言，這必須是最早的。這一概念最初是由特拉維夫大學的熱娜·巴卡那研究發現，宇宙中的氣體可能比預期的要冷得多(不到預期溫度的一半)。這表明要麼天體物理學家的理論努力忽略了一些重要的或物理，這可能是第一個非標準的證據：具體而言,這重子(正常物質)可能與暗物質,慢慢失去能量，暗物質在宇宙早期。

如果Barkana的想法得到證實，那麼就知道到一些關於神秘暗物質的新東西和基礎知識，這些暗物質構成了宇宙中85%的物質，這讓我們第一次看到了超越標準模型的物理學。在這方面的研究的下一步是另一個儀器來證實這個團隊的發現並不斷提高儀器的性能，以便更多的了解早期恆星的特性。鮑曼說：在過去兩年里我們非常努力地驗證了這一發現。但是讓另一組人獨立證實這一發現是科學過程中的一個關鍵部分。鮑曼也希望看到加速新射電望遠鏡的努力，比如Reionization Array (HERA)和歐文斯谷長波長陣列(OVRO-LWA)。

Bowman說：現在我們知道了這個信號的存在，需要快速地將新的無線電波望遠鏡帶來，這樣就能更深入地探測信號。在這個實驗中使用的天線和接收器部分是由羅傑斯和麻省理工學院的Haystack天文台團隊設計和建造的。ASU團隊和Monsalve將自動天線反射測量系統添加到接收機中，將控制棚與電子設備相匹配，建造了地面飛機，並為該項目進行了現場工作。當前版本的邊緣是經過多年設計迭代和不斷詳細的技術改進的結果，以達到成功實現這一困難測量所需的精確程度。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Nature

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：亞利桑那州立大學

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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