一百多億年前，第一批恒星的光芒劃破了無垠的黑暗，我們的宇宙迎來“黎明”。4年前，天文學(xué)家們曾以為他們找到了宇宙黎明留下的信號，但是在之后的實(shí)驗(yàn)中，這個信號似乎又淹沒在了宇宙萬物的噪聲之中。

　　撰文|本·布魯貝克（Ben Brubaker）

　　編譯|鄭昱虹

　　審校|王昱

　　宇宙黎明的印記

　　宇宙大爆炸發(fā)生后，氫原子最初形成時以相同的速率吸收并發(fā)射波長21厘米的輻射。所以，充滿原始宇宙的氫云團(tuán)實(shí)際上是不可見的。

　　之后，第一批恒星誕生，宇宙的黎明來臨。恒星發(fā)出的紫外線激發(fā)電子躍遷，使氫原子吸收的21厘米射電波比它們發(fā)射的更多。由于這種現(xiàn)象，我們能從地球上看到的電磁波強(qiáng)度會在某個頻率下降，它標(biāo)志著宇宙中第一批恒星點(diǎn)亮的時刻。

　　隨著時間推移，第一批恒星坍縮成黑洞。炙熱的氣體圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生X射線，加熱整個宇宙的氫云團(tuán)，增加了21厘米波的發(fā)射速率，稍短波長的射電波強(qiáng)度提升。因此，最終的結(jié)果將是，我們會在一個狹窄的無線電波長范圍內(nèi)，觀測到電磁波強(qiáng)度下降。

　　射電波在到達(dá)地球的過程中會被宇宙膨脹所拉伸。來自更遙遠(yuǎn)的氫云團(tuán)的波相比來自更近的氫云團(tuán)的波被拉伸的時間更長，因此到達(dá)地球時的波長會更長，這為天文學(xué)家提供了宇宙歷史事件的時間戳記錄。

　　半個多世紀(jì)以來，天文學(xué)家一直通過波長21厘米的電磁波研究附近的星系。現(xiàn)在，通過一些設(shè)計巧妙的儀器，宇宙黎明時期的氫云團(tuán)發(fā)出的電磁波也成為了天文學(xué)家們尋找的目標(biāo)。

　　凹陷與平滑的光譜

　　2018年，位于澳大利亞腹地的EDGES天線觀測到來自宇宙的射電波在4米波長左右強(qiáng)度減弱。這項(xiàng)成果登上了《自然》雜志，被視為關(guān)于宇宙黎明的突破性發(fā)現(xiàn)。

　　不過有意思的是，EDGES所觀測到的射電波強(qiáng)度減弱與宇宙學(xué)家的預(yù)測有顯著差異，波谷的形狀和出現(xiàn)時間都與預(yù)期不符。EDGES的數(shù)據(jù)表明，第一批恒星出現(xiàn)的時間出人意料地早，X射線很快就涌入了宇宙；更奇怪的是，早期宇宙中的氫比理論模型預(yù)測的更冷。

　　世界各地的天文學(xué)家由此提出了許多理論猜想，比如認(rèn)為這是由于充滿宇宙的暗物質(zhì)產(chǎn)生的奇異作用。同時，天文學(xué)家們也在并試圖證實(shí)EDGES所檢測到的信號的真實(shí)性。

　　2020年初，印度拉曼研究所（Raman Research Institute）的天文學(xué)家在印度的一對偏遠(yuǎn)湖泊上安裝了SARAS天線，以尋找EDGES所觀測到的射電波減弱現(xiàn)象。今年2月，研究團(tuán)隊(duì)在《自然·天文學(xué)》上報告了他們的結(jié)論：他們在4米波長附近測量得到了一個平滑的譜，沒有觀測到EDGES報告的現(xiàn)象。

　　加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的射電天文學(xué)家亞倫·帕森斯（Aaron Parsons，沒有參與上述的兩項(xiàng)研究）說：“如果太空中真的存在這個信號，我們應(yīng)當(dāng)能重復(fù)觀測到它。”

　　從未看到過的黎明？

　　或許，EDGES的觀測結(jié)果有一個更平淡的解釋。

　　氫原子從宇宙的黎明時代發(fā)出21厘米的電磁波輻射，到達(dá)地球時波長為數(shù)米。這與FM廣播和電視的波長范圍重疊，容易被無線電干擾所掩蓋，這也是為什么EDGES需要在那么偏遠(yuǎn)的地方運(yùn)行。不僅如此，這個信號還被銀河系亮數(shù)千倍的射電信號淹沒，而且在通過地球大氣層上層時被扭曲。

　　同樣重要的還有設(shè)備本身產(chǎn)生的細(xì)微影響。射電天線環(huán)境的擾動可以輕微地改變其觀測的夜空區(qū)域。在如此精確的實(shí)驗(yàn)中，即使是幾十米外的表面發(fā)生的微弱的反射也會產(chǎn)生影響。這種反射的效果可能在特定的射電波長上增強(qiáng)，導(dǎo)致天線的觀測區(qū)域在不同波長上有微小的不同，從而使不同波長下的射電波強(qiáng)度發(fā)生變化。

　　EDGES團(tuán)隊(duì)確實(shí)在他們的數(shù)據(jù)中看到了這種波動，而罪魁禍?zhǔn)谆蛟S是一塊30米寬的金屬板的邊緣，這塊金屬板被鋪設(shè)在天線周圍的地面上，以阻擋地面本身的發(fā)射的無線電波。研究團(tuán)隊(duì)在分析數(shù)據(jù)時，已經(jīng)為可能存在的反射進(jìn)行了修正，但當(dāng)時有一些天文學(xué)家指出，如果修正稍有偏差，就可能造成一個在狹窄的波長范圍內(nèi)射電波強(qiáng)度下降的信號，與真正的宇宙黎明信號無法區(qū)分。

　　更精密的實(shí)驗(yàn)

　　SARAS團(tuán)隊(duì)為了追求在所有波長上更均勻的靈敏度，采用了一種不同的方法來設(shè)計天線。SARAS論文的主要作者蘇拉布·辛格（Saurabh Singh）表示，整體的設(shè)計原則就是維護(hù)光譜的平滑性。

　　科學(xué)家們把鋁制的錐形錐天線放在泡沫塑料板做成的小筏上，使其漂浮在平靜的湖面中央，以確保在任何水平方向上100米內(nèi)都不會有反射。帕森斯稱這個方法非常巧妙且新穎。

　　此外，水中光速的減慢也削弱了來自湖底的反射的影響。并且，密度均勻的水體使實(shí)驗(yàn)環(huán)境更容易建模。

　　最終，SARAS而沒有觀測到EDGES所報告的射電波強(qiáng)度減弱的跡象。這種現(xiàn)象是否真實(shí)存在還有待確定。帕森斯強(qiáng)調(diào)，SARAS團(tuán)隊(duì)需要做更多的工作來闡釋測量結(jié)果的細(xì)微之處。

　　亞利桑那州立大學(xué)的EDGES實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人賈德·鮑曼（Judd Bowman）認(rèn)為，仍需要進(jìn)一步的研究以解決這個問題。他在電子郵件中寫道：“我們很高興看到他們的初步觀測結(jié)果。考慮到進(jìn)行這類觀測的難度，評估這項(xiàng)新成果并將其納入正在進(jìn)行的調(diào)查還有很長的路要走。”

　　加拿大麥吉爾大學(xué)（McGill University）的射電天文學(xué)家H·辛西婭·蔣（H。 Cynthia Chiang，沒有參與這兩個實(shí)驗(yàn)）表示，EDGES和SARAS的校準(zhǔn)和分析步驟都做得非常縝密，所以現(xiàn)在判斷哪個結(jié)果是正確的還為時過早。“二者的分歧令人無法忽視，事情遠(yuǎn)沒有結(jié)束。在我看來，這反而令人興奮。”

　　蔣正在領(lǐng)導(dǎo)另一項(xiàng)名為PRIZM的后續(xù)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)將在南非以南1000千米外的一個小島上進(jìn)行。在那里幾乎不存在任何無線電干擾，而這正是SARAS面對的主要挑戰(zhàn)。

　　帕森斯預(yù)計SARAS的零結(jié)果將是最后的贏家。果真如此的話，這可能意味著宇宙黎明發(fā)出的信號太微弱，以至于目前的儀器無法識別。但帕森斯也表示，這不會抹去EDGES的巨大創(chuàng)新對這一領(lǐng)域的推動作用。

　　原文鏈接：

　　https：//www.quantamagazine.org/in-new-experiment-astronomers-see-no-sign-of-cosmic-dawn-20220228/

　　本文轉(zhuǎn)自《環(huán)球科學(xué)》