科学家首次捕捉到宇宙“第一缕曙光”

2018-03-10 10:58:00 《科学美国人》中文版《环球科学》 分享
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  天文学家探测到了宇宙再电离阶段氢原子发出的21cm射电信号。

宇宙中第一颗恒星的艺术图。绘图:N.R. Fuller,美国国家科学基金会

  在最新的《自然》期刊中,美国科学家成功捕捉到了再电离时期的21厘米中性氢原子信号,探测到了宇宙的“第一缕曙光”。这意味着天文学对宇宙“黑暗时代”的研究,翻开了一个新的篇章。而他们发现信号中的异常之处,还可能有助于科学家分析暗物质的性质。

  现在,尽管还有些关键问题没有答案,但如果说我们对宇宙已经有了相当的了解,也不算夸大其辞。我们知道宇宙源于大爆炸,知道如今宇宙中的物质结成了星系和星系团等结构,甚至也知道最初均匀分布的物质是怎样演化成这样的结构的,还知道在这背后有暗物质和暗能量在发挥作用(遗憾的是,这两者到底是什么仍是未解之谜)。

  这样的光辉成就,在很大程度上得益于天文观测手段的进步。越来越强大的望远镜让天文学家在空间上观察到了更加遥远的天体,在时间上追溯回更深远的过去。例如,哈勃望远镜已经观测距离我们320亿光年的星系,它存在于约134亿年前,宇宙诞生4亿年后。此外,通过源于大爆炸后仅38万年的微波背景辐射,天文学家甚至还可以窥探到更早期的宇宙。不过,在最遥远、最古老的星系,与微波背景辐射之间,存在一个天文观测一度无法触及的空白区域。而这个空白阶段,又是天文学家非常感兴趣,对了解宇宙演化全过程非常关键的阶段。

  宇宙演化的时间线。该研究确认,最早的恒星诞生时间不晚于大爆炸后1.8亿年。绘图:N.R. Fuller,美国国家科学基金会

  宇宙的黑暗时代

  在大爆炸中诞生的宇宙温度曾非常高,光子不断与电子碰撞,使其无法和原子核稳定结合,此时的宇宙是一团原子核、电子和光子混杂在一起的浓汤,是完全不透明的。而宇宙随着膨胀而不断冷却,当温度降低到原子核可以与电子结合为稳定的原子,光子中解放出来,成为了微波背景辐射,宇宙也变得透明了。在这之后,宇宙中只有氢原子(还有一些氦原子)组成的气体,温度也已经冷却得非常低。在整个宇宙中,一丝可见光都没有,因此天文学家把这个阶段称为“宇宙的黑暗时代”。

  根据目前的宇宙演化理论,之后又过了数亿年,在引力的作用下,暗物质和普通物质聚集起来,形成了星系和恒星,第一代恒星发出的辐射让黑暗的宇宙迎来了黎明,同时辐射中的紫外线也逐渐让周围气体中的氢原子重新电离,因此天文学家也把这个阶段称作“再电离”。

  当然,这样的过程是理论的推测,究竟最初的星系和恒星是如何形成的,再电离过程由是如何展开的,天文学家渴望能直接通过观测得到线索。但要通过什么手段才能看到那个时期呢,毕竟原初的氢原子气体是“黑暗”的,而在那样遥远的距离,单个第一代恒星发出的光也显得微不足道。

  21厘米氢线

  幸运的是,即使是非常冷的氢原子,也能发出一种特殊的辐射。氢原子是由一个氢原子核(质子)和一个电子组成的,原子核和电子的自旋方向可能相同,也可能相反,而在这两种状况下,原子的能量存在微小的差异。如果电子本来与原子核自旋方向相同,在自旋翻转、变得与原子核的方向相反时,原子的能量降低,就会发出波长为21厘米的辐射。反之,低能状态的氢原子也可以吸收21厘米波长的光子,翻转电子的自旋方向。

  在实验室中,这种21厘米辐射是很难观察到的,因为电子自旋翻转的概率实在太低了,即使本来处于能量较高的状态,它也很不情愿翻转到低能状态,一个电子平均每1000万年才会这样翻转一次。不过,宇宙中的氢原子实在太多了,即使概率极低,单位时间发生电子自旋翻转的氢原子绝对数量也是可观的,完全能产生可供观测到的辐射。

  与电子在不同能级之间跃迁所需要的能量相比,自旋翻转需要的能量要小得多,即使在恒星诞生之前,微波背景辐射的光子以及原子之间的相互碰撞都足以让某些电子自旋翻转。电子与氢核自旋同向和反向,这两种原子的数量比例反映了中性氢整体上与电子自旋有关的能量状态。就像原子无规则运动的速度决定了内能,定义了温度一样,这个比例也可以定义一个温度——自旋温度。

  这样一来,在宇宙的黑暗时代,有三种标志性的温度,一个是氢原子的自旋温度,另一个就是一般意义上的温度——由原子的无规则运动决定的动力学温度,还有一个是体现了微波背景辐射光子能量的辐射温度。这三种温度的关系随着宇宙演化不断变化,也决定了中性氢究竟是自己发出21厘米辐射,还是吸收微波背景辐射中的21厘米成分。

  最初,在宇宙刚进入黑暗时代的时候,微波背景辐射光子不断与原子碰撞交换能量,三种温度是保持相等的。随着宇宙膨胀,光子越来越稀疏,跟原子的能量交换变得越来越低效,动力学温度和辐射温度就脱节了,两者都随着膨胀降低,但动力学温度下降得更快。而这时原子间的碰撞对自旋状态影响更大,自旋温度和动力学温度保持一致,低于辐射温度,氢原子会吸收21厘米辐射。

  但随着宇宙膨胀,氢原子本身也变得过于稀疏,很难通过碰撞让电子自旋翻转,微波背景辐射光子决定了自旋状态,自旋温度和动力学温度脱节,开始跟辐射温度保持一致。此时氢原子整体上既不吸收21厘米辐射,也不会发出21厘米辐射。

  随着第一代恒星形成,情况又发生了变化,恒星发出的紫外辐射让氢原子的动力学温度上升,同时也会让它们短暂电离后又重新和电子结合。电子在来去之间改变了自己的自旋方向,决定两种原子比例的,又由微波背景辐射变回了动力学温度。此时,自旋温度等于动力学温度,仍低于辐射温度,所以氢原子又开始吸收21厘米辐射。之后,自旋温度随着动力学温度不断上升,终于超过了辐射温度,氢原子就重新开始发出21厘米辐射。最终,氢原子被恒星的紫外线完全电离,21厘米信号也就彻底消失了。

  新的发现与意外结论

  随着宇宙的膨胀,曾经波长为21厘米的信号,抵达我们的时候已经发生红移,波长被拉长了很多。例如,黑暗时代刚开始时发出21厘米辐射,波长已经变成了210米,而在黑暗时代结束时发出的辐射,波长则变成了1~2米。这也就是说,信号中不同波长的成分源于早期宇宙的不同时期,携带了反映当时宇宙成分和结构的信息。

  因此,通过观测21厘米辐射信号,天文学家可以了解寒冷黑暗的“黑暗时代”,以及之后的宇宙再电离过程。如果能分辨天空不同位置的信号强度,还可以更进一步地研究电离区域是如何演化扩大的。天文学家也的确一直在尝试观测再电离时期的21厘米辐射,追寻“宇宙的第一缕曙光”。最近,美国亚利桑那州立大学的Judd Bowman和麻省理工的Alan Rogers等人合作开展的EDGES项目终于开花结果,他们利用设置在澳大利亚默奇森射电天文台的射电天线,首次探测到了宇宙早期的21厘米氢原子辐射信号,相关论文发表在最新一期的《自然》(Nature)。

  这个位于澳大利亚西部的默奇森射电天文台的射电天线首次探测到宇宙早期的21厘米氢原子辐射信号。

  在此项研究中,EDGES团队的目标是探测波长在1到6米之间的全天微波背景辐射谱。他们的设备相对来说比较简单,就是一台餐桌大小的射电天线。尽管没能力分辨信号在空间上来自天空中的哪个位置,但这个天线非常适合捕捉微弱的低频信号。

  研究者发现,辐射谱在波长大约4.3米到3.5米之间出现了一个非常明显的“山谷”,这正好对应于红移从20到15的21厘米辐射。这样的红移对应于大爆炸后1.8亿年到2.7亿年间,“山谷”意味着此时第一代恒星刚出现,发出的紫外线导致氢原子吸收微波背景辐射中的21cm成分。

第一代恒星出现时,氢原子吸收21厘米辐射,形成图中的“山谷”。来源:Bowman et al. 2018, Nature

  辐射谱上“山谷”的位置,也就是吸收信号出现和消失的时间,与理论模型的预言符合得很好。不过,“山谷”的谷底非常平,这有些出人意料,这意味着早期的恒星迅速就产生了足够的辐射,可能对第一代恒星的形成理论提供一些线索。而更让人意外的则是“山谷”非常深,信号的强度要比理论估算的高两个数量级。决定了吸收信号强度的是原初气体的温度与辐射温度之间的差异,研究者认为,这表明原初气体的温度要比科学家过去认为的还要低,而正常的气体冷却过程,是无法达到这么低的温度的。他们提出,可能是暗物质与氢原子之间,除了万有引力还存在其他相互作用。这种相互作用带走了更多的能量,帮助氢原子气体迅速冷却。

  在发表于同一期《自然》的另一篇论文中,以色列特拉维夫大学的天体物理学家Rennan Barkana估算,要让原初气体冷却到这样低的温度,暗物质粒子必须低于5倍氢原子质量。而目前最受物理学家青睐的暗物质候选者是弱相互作用大质量粒子(WIMP),质量要比这大得多,是氢原子的几百倍。而针对此类粒子的搜索实验至今一无所获,一些物理学家已经把目光投向了其他候选者,这次的发现可能给他们更充分的理由。Barkana认为,这一结果表明21cm信号也能帮助物理学家研究暗物质的性质。

  科学家希望进一步的观测,以及其他探测宇宙早期21cm信号的研究,能够确认他们的发现,并帮助我们更好地了解宇宙的黑暗时代。

责编:陶宗瑶(实习生)