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　　來源：原理

　　我們對早期宇宙發(fā)生的事情仍然知之甚少。目前主流的共識是，宇宙大爆炸之后的很長一段時間里，在最早的恒星誕生之前，宇宙一直保持著中性且黑暗的狀態(tài)，也就是宇宙的黑暗時期。直到第一批恒星出現(xiàn)，宇宙才真正迎來了“黎明”。但是，宇宙黎明到來的時間仍然是個謎。

　　大爆炸會產(chǎn)生電子和質(zhì)子。隨著宇宙的膨脹和物質(zhì)的冷卻，在大爆炸約38萬年后，電子和質(zhì)子會結(jié)合形成中性氫（即復(fù)合時期）。在引力的作用下，氫會聚集坍縮形成第一批恒星和星系，這一時期被稱為“宇宙黎明”。| 圖片來源：NASA/WMAP Science Team； R。 Ellis（Caltech）

　　2018年，宇宙學(xué)界出現(xiàn)了一場不小的轟動事件。來自EDGES的天文學(xué)家報告稱，他們發(fā)現(xiàn)一個特定頻率的射電波比來自夜空的其他波明顯要暗得多，這被解讀為“宇宙黎明”在光譜中留下的特征，也就是大爆炸后第一批恒星誕生的突破性信號。這是許多天文學(xué)家夢寐以求希望看到的。

　　更重要的是，觀測到的信號和理論預(yù)測有很大區(qū)別，它還引發(fā)了一系列理論活動。與此同時，全世界的天文學(xué)家也開始試圖檢驗確認(rèn)這一信號。

　　近日，一組研究團(tuán)隊公布了他們最新的搜索結(jié)果。非常遺憾的是，結(jié)果是否定的，他們沒有找到之前出現(xiàn)的那種信號。團(tuán)隊已于近日將結(jié)果發(fā)表在《自然·天文學(xué)》上。

　　宇宙黎明的特征

　　來自可觀測宇宙中最古老的恒星的光線必須經(jīng)過一百多億年的旅行才能到達(dá)地球，這太遙遠(yuǎn)了，普通的望遠(yuǎn)鏡完全無法直接觀測。為了尋找宇宙的第一縷星光，射電天文學(xué)家一直在利用射電波頻譜尋找一種間接的影響。

　　氫原子會天然地吸收并發(fā)射波長21厘米的射電波。由于宇宙在不斷地膨脹，因此這些射電波在前往地球的旅途中會被拉長。那些來自更遙遠(yuǎn)氫云的波，被拉伸的時間也更長，所以抵達(dá)地球時的波長也會變得更長。這種光的拉伸為天文學(xué)家提供了一種宇宙歷史事件的時間戳記錄。

　　半個多世紀(jì)以來，天文學(xué)家一直在利用21厘米發(fā)射的概念來研究附近的星系。但隨著科學(xué)的發(fā)展，許多天文學(xué)家也開始測量更長的波長，從而尋找更古老的氫云發(fā)射。

　　當(dāng)氫原子最初形成時，它們以相同的速率吸收并發(fā)射環(huán)境21厘米輻射，因此，充斥著原始宇宙的氫云實際上是看不見的。隨后，宇宙黎明到來，來自第一批恒星的紫外線輻射激發(fā)了原子躍遷，使得氫原子吸收的21厘米波比它們發(fā)射的要多。

　　從地球上看，這種多出來的吸收就會在一個特定的射電波長上表現(xiàn)出亮度下降，這就標(biāo)志著最早的恒星被點燃的時刻。隨著時間的推移，第一批恒星坍縮成黑洞。圍繞這些黑洞旋轉(zhuǎn)的高溫氣體產(chǎn)生了X射線，加熱了整個宇宙的氫云，增加了21厘米發(fā)射的速率。我們會觀測到比更古老的光的波長稍短的射電波長上亮度的略微上升。最終的結(jié)果便是，在一個狹窄的射電波長范圍內(nèi)出現(xiàn)亮度的微小“凹陷”。

　　EDGES天線。| 圖片來源：Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation

　　2018年，研究人員在澳大利亞內(nèi)陸使用一個類似咖啡桌的儀器，它被稱為EDGES（檢測再電離時代的全局特征實驗），報道了原始射電頻譜上出現(xiàn)的這樣一處凹陷。團(tuán)隊認(rèn)為，這就是宇宙黎明的特征信號。

　　隨之而來的問題

　　但是EDGES的信號似乎是個“過分好”的東西了。頻譜中的凹陷比理論預(yù)測的更深、也更廣。這處凹陷出現(xiàn)在波長4米左右的位置，并不是理論學(xué)家所預(yù)期的位置。如果這是真的，它說明第一批恒星出現(xiàn)得比預(yù)想的早得多，而之后X射線很快便充斥了整個宇宙。更奇怪的是，這處凹陷非常顯著，表明早期宇宙中的氫比理論模型預(yù)測的要冷。

　　同時為了解釋這樣一個印記，理論物理學(xué)家也嘗試提出了一系列奇特的機(jī)制，例如可能存在前所未知的基本粒子，它的電荷只有電子的數(shù)千分之一。

　　但還有一些研究人員則表示對這一結(jié)果本身的疑慮。探尋宇宙黎明的射電信號的困難不言自明，來自早期宇宙的射電波會被各種各樣的信號源產(chǎn)生的噪聲所淹沒，靈敏的探測天線也會受到各種意想不到的微弱影響，從而導(dǎo)致結(jié)果偏差。用一些天文學(xué)家的話說，在頻譜中尋找原始特征就像站在數(shù)千米外想要發(fā)現(xiàn)山頂上的樹影一樣。

　　為了排除各種問題，EDGES團(tuán)隊在發(fā)表數(shù)據(jù)之前花費了兩年時間進(jìn)行了反復(fù)檢查，以精確的計算排除了環(huán)境、實驗系統(tǒng)性等各種方面的影響。但它顯然沒能讓所有人信服。隨后，不少研究團(tuán)隊著手開始對EDGES的發(fā)現(xiàn)展開交叉驗證。

　　新的實驗

　　來自宇宙黎明的氫21厘米發(fā)射到達(dá)地球的波長為數(shù)米，這恰好在調(diào)頻廣播和電視廣播的范圍內(nèi)，排除人類活動的無線電頻率的干擾是探測的首要任務(wù)之一。為此，研究人員在地球上一些最偏遠(yuǎn)的角落架設(shè)了天線。

　　在這項新的研究中，研究團(tuán)隊采用了一種史無前例的方法，他們決定讓儀器漂浮在印度的湖面之上。這臺被稱為SARAS（背景射電頻譜的異形天線測量）的天線呈圓錐形，這讓它對射電波的反應(yīng)更易計算，而它下面的水則意味著科學(xué)家不用處理不確定的地形結(jié)構(gòu)和射電特征，讓處理數(shù)據(jù)時對環(huán)境的建模更加方便。