宇宙第一代恆星發出的輻射信號，或為暗物質的存在提供新證據

天文學家捕捉到宇宙第一代恆星發出的輻射信號，其強度遠超預期，意味著早期宇宙的溫度比當前理論估計的更低，暗示早期宇宙大降溫或與原始氫氣和暗物質之間的相互作用有關。

作者：內爾?格林菲爾德

藝術家描繪宇宙中第一顆恆星的樣子

科學家因為受到技術因素的限制，長久以來都無法對宇宙的早期歷史進行研究，最近，在新科技設備的幫助下，研究人員終於實現了對早期宇宙部分情況的探測研究，他們取得的研究結果極為驚人：在早期宇宙的第一批恆星形成之前，年輕宇宙的溫度要比天文學家之前想像的低得多。

最近刊發於《自然》雜誌的一篇新研究報告稱，在宇宙形成的早期階段，正常物質和神秘的暗物質之間可能會發生相互作用，這種未曾進行過認真研究的相互作用，導致原始宇宙發生降溫。

到目前為止，科學家還不能夠直接觀察到暗物質，他們只有通過觀測暗物質所造成的引力影響，來推測暗物質的存在。如果刊發於《自然》雜誌的這篇研究報告最終被確認屬實，這將是科學家第一次通過引力影響之外的方法探測到暗物質。

微弱信號來自於早期宇宙中的氫氣

獲得這一發現的研究人員通過實驗，檢測發現了微弱的無線電信號，這些無線電信號來自於大爆炸1.8億年之後年輕宇宙中的原始氫氣。

「我們觀測到的無線電信號，是宇宙中最早形成的氫元素釋放出來的，這些氫氣形成之時，也恰恰是宇宙中最早一批原始恆星形成的關鍵時期，」麻省理工學院海斯塔克天文台研究員艾倫?羅傑斯說。

在宇宙形成的最初時期，整個宇宙都是黑暗的，充滿著氫氣。隨著時間推移，部分氫氣開始聚集形成恆星，恆星質量達到一定程度時，就會在恆星內部發生核聚變反應，核聚變釋放的能量開始導致恆星發光發熱，進而對恆星周圍的氫氣造成影響，導致原始氫氣釋放出可以被觀測到的輻射信號。

為了觀測這些來自於宇宙年輕時期的極端微弱信號，羅傑斯及其同事使用裝備有無線電天線的科研設備，在西澳大利亞地區進行了一項無線電信號觀測研究。西澳大利亞地區遠離城市、無線電發射台、電視台以及行動電話網路，能夠避免觀測工作受到人為無線電信號的干擾，是世界上最好的無線電靜默區之一。

澳大利亞聯邦科學與工業研究組織的默奇森射電天文台在西澳大利亞地區部署的宇宙再電離時期特徵信號監測試驗（EDGES）無線電光譜儀。

原始氫氣降溫導致信號強度較大

研究人員在數年之前就開始監測無線電信號，但當時發現的信號特徵並不符合研究人員的預期。

「我們的研究小組包括了理論物理學家，他們的研究成果讓我們提前預知了早期恆星釋放的無線電信號所應具備的相關特徵。我們在剛開始時獲得的觀測情況與理論研究結果並不一致，」科羅拉多大學博爾德分校的勞爾?蒙薩爾維說：「實際觀測到的無線電信號幅度要比理論研究結果大得多。」

研究人員提出了一個最有可能的假設，試圖對觀測情況與理論預測結果存在不一致的情況進行解釋，他們認為，早期宇宙中氫氣的溫度僅為理論物理學家之前預測的一半，當時氫氣的溫度大約為零下270攝氏度。

「得出這一解釋，計算髮現這一溫度，讓我們感到極為興奮，但這一溫度極為接近於絕對零度，因此我們都知道，必須對這一假設性解釋進行多次驗證測試，」研究小組中的一名研究生尼維迪塔?馬赫什說。

研究小組的驗證測試工作持續了數月時間，均未發現假設性解釋有錯誤之處，因此，科學家開始提出了這樣的一個疑問，早期宇宙中氫氣的溫度要比理論物理學家之前的低一半，那究竟是什麼因素或物質導致早期宇宙出現降溫情況的呢？亞利桑那州立大學的賈德?鮑曼同以色列特拉維夫大學的倫南?巴爾卡那對此進行了研究，並取得了極為奇怪的發現。

突然意識到的真相：或許暗物質的作用使氫氣降溫

「研究發現讓我大吃一驚，同時也讓我感到一點點懷疑，」巴爾卡那說：「具體情況是，科學家在此之前對信號幅度的可能最大值範圍進行了預測，但實際觀測發現的無線電信號超出了這一最大值範圍。」

得出這一發現的一天之後，巴爾卡那於周五下午駕車與妻子一起前往看望岳父母，巴爾卡那在駕車途中向妻子講述了蘊繞在心頭的疑問。「說著說著，我突然意識到，能夠讓早期宇宙溫度降低的唯一合理解釋就是暗物質，」他說。

「宇宙中的暗物質一直以來都是一個神秘的存在，」巴爾卡那說：「我們所知道的就是，宇宙中的大部分物質都是以暗物質形式存在的，理論研究認為，宇宙暗物質的總質量是普通物質的6倍，但我們無法直接觀測到暗物質，也無從了解暗物質的性質屬性。」

目前，科學家只能通過觀測暗物質造成的引力影響，才能夠發現暗物質的存在。「除了引力影響之外，我們還沒有其他更好的觀測方法，」他說。

之後，他開始將暗物質這一概念同早期恆星的相關研究聯繫在一起進行思考，並進行了一些計算工作。巴爾卡那發現，按照觀測結果推算，暗物質粒子的質量同人們之前的理論預測情況相比要輕的多，氫氣能夠與暗物質粒子發生相互作用，並在這一過程中降溫冷卻。

研究結果尚需得到其他小組的確認

哈佛大學的科學家林肯?格林希爾針對這項新研究報告為《自然》雜誌撰寫了一篇評論，他在文章中說：「宇宙破曉之時釋放的可檢測無線電信號與暗物質的粒子性質存在關聯，這一命題為深入研究基礎物理學提供了一個具有潛在革命性的研究角度。」

這類研究工作有一個慣例，需要有另一個研究小組獨立地監測發現同一無線電信號，只有兩個不同的研究小組都獨立地得到了相同的觀測發現，才能夠確認收到的信號確實來自於早期宇宙。

「我們取得的觀測結果絕對需要得到其他獨立研究小組的確認，這一點非常重要，這一點絕對重要，」羅傑斯說。

但是，如果實際觀測同理論預測之間的溫度差異繼續存在，那麼，這種涉及暗物質的解釋可能也存在問題，對這一解釋的爭論將會真正開始。

「這個研究發現非常有趣，也非常讓人興奮，」北卡羅萊納州立大學的天體物理學家卡蒂?麥克說：「該研究成果同目前所有可用的天體物理學模型的預測結果都不一樣。」

本次發現的無線電信號是除宇宙微波背景輻射之外所觀測到的最古老的信號

麥克稱，宇宙大爆炸之後，留下了持續百億年的餘暉，這種餘暉就是所謂的宇宙微波背景輻射，除了這種輻射之外，本次觀測發現的無線電信號，是科學家迄今為止所能觀測到的最古老的宇宙輻射信號。

宇宙微波背景輻射

「在所有的天體物理學觀測結果中，這次觀測發現的輻射信號是最為古老的，」卡蒂?麥克說：「這種信號是宇宙中最早期恆星及最早期黑洞所釋放的特徵性輻射信號。這比宇宙中的其他信號都要古老得多。」

根據大爆炸理論，大約 138 億年前宇宙發生了大爆炸，從一個極緊密、極熾熱的奇點不斷膨脹至現在的狀態。宇宙誕生後不久便陷入黑暗時期，光被隱匿在混沌中，中性氫原子阻擋了光線，直到物質開始聚集，並在極高壓力下壓縮成足以發生核融合的核心，第一批恆星至此開始閃爍。

暗物質在早期宇宙的降溫過程中發揮了作用，這一觀點讓人感到非常有趣。卡蒂?麥克說：「如果本次研究結果確實屬實的話，這將意味著我們第一次在暗物質及其他物質之間發現了非引力性質的相互作用，這一研究成果也將第一次證明，暗物質並非只會安靜地在宇宙中散發引力，它還會在引力之外對其他物質造成影響。」

（本文首發於【漫步宇宙】微信公眾號）

譯者：朱川；責編：高佩雯

來源：https://www.npr.org

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