原标题：“刺探”天地领先10亿年

天地怎么从黯澹走向光明？暗物资是“冷”照旧“温”？天地在领先的10亿年资格了什么？这对于阐明天地的奥妙相当难题。但是，由于天地的领先演化阶段是一派黯澹的，要思探伤到这个时期的情况无比困难，现存的光学和红外千里镜王人窝囊为力。那用什么来进行探伤呢？氢原子的21厘米谱线险些是当今已知的唯一的径直探伤技巧。行使它，科学家不错探索天地最迂腐的样貌，拓展东谈主类对天地的领会。

1.领先10亿年，天地怎么从黯澹走向光明

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天地怎么从黯澹走向光明？这对于深远坚强星系和天地结构的酿成和演化具有难题酷爱。

天地在年岁为38万年的时候，投入了“黯澹期间”。天地中除了来自天地微波配景辐射（CMB）的光子以外，莫得其他发光天体。有的仅仅一派险些均匀的暗物资和原子气体，其中气体以氢原子为主，氢约占四分之三质地，氦约占四分之一。

“黯澹期间”握续了梗概一亿年傍边。在这一身的一亿年里，暗物资在引力的作用下启动酿成暗晕团块，原子物资也落入暗晕的引力势阱中进一步结团，最终最早的一批星系在暗晕中心出身。

“天地清晨”启动了，星系的光启动照亮天地。

跟着星系以及星系中的恒星和黑洞酿成，恒星的紫外光子溢出星系，安谧电离星系际介质中的氢原子，同期恒星和黑洞产生的X射线也启动对星系际介质进行加热。最终，在天地年岁接近10亿年的时候，天地星系际介质中的氢原子险些被十足电离。这一氢原子被发光天体再次电离的历程称为“天地再电离”。

那用什么来探伤天地领先的10亿年呢？由于天地的领先演化阶段是一派黯澹的，光学和红外千里镜窝囊为力，要思探伤到这个时期无比困难。事实上，天地第一代发光天体从头照亮天地的历程从未被东谈主类有用探伤到过。

当今，要思探伤天地被第一代星系照亮的历程，氢原子的21厘米谱线险些是唯一的径直探伤技巧。行使这个器具，不错探索天地最迂腐的样貌，揭秘天地怎么从黯澹走向光明。

氢原子的21厘米谱线又是什么呢？

氢原子不错在射电波段继承或辐射光子，对应光子的波长约为21厘米，因此该谱线世俗被称为“21厘米谱线”。陋劣来讲，在“黯澹期间”和“天地清晨”，氢原子气体比天地微波配景更冷，它们会从微波配景中继承21厘米光子；在“天地再电离”时期，气体被加热，氢原子会辐照21厘米信号。因此，若是以CMB光子为配景光源，咱们就不错对这些21厘米谱线的信号进行探伤。这些21厘米谱线继承和辐照信号会匡助咱们阐明天地的早期演化历史。

早期天地中氢原子的21厘米辐射的波长会跟着天地的推广被拉伸得更长。举例，“天地再电离”时期的21厘米信号的波长在今天仍是被拉伸到1.5~2.3米；“黯澹期间”对应的21厘米信号波长已在6.5米以上。因此，咱们需要用低频射电天线来秉承这些信号。

在“天地再电离”之后的期间，星系际介质中险些已莫得中性氢了，但天地中仍然存在大批的中性氢原子，它们王人驻足于星系之中。在当代天地中，星系中的中性氢仍在不停地辐射21厘米谱线信号。若是不错用射电千里镜探伤这些信号，那么就不错用21厘米谱线信号跟踪星系。从天地学的角度来看，就有了一个行使射电技巧测量天地大循序结构的才略。

中性氢原子的21厘米谱线为咱们探索天地提供了宏大的机遇。发轫，为咱们翻开了不雅测天地的新窗口，让咱们能够行使氢原子的21厘米谱线动作信号在射电波段对天地演化进行探伤。其次，由于其在静止系波长（或频率）是固定的，波长的拉前途程自动就给出了源的红移，因此行使这种谱线巡天不错有用对天地的演化进行断层扫描。再次，表面上不错行使21厘米谱线对CMB酿成以后的通盘天地演化历史进行探索。

也便是说，在早期天地探索中，以CMB光子为配景光源，不错作念两种21厘米谱线信号的不雅测，一个是全天平均频谱测量，一个是断层扫描测量。

这两种不雅测形态是最主流的21厘米谱线不雅测形态。面前的一些21厘米低频探伤实验仍是启动以这两种形态进行不雅测，况且得到了一些初步的不雅测数据。正在开拓中的“时常公里阵列射电千里镜”（SKA）也准备以这么的形态启动对“天地清晨”和“天地再电离”进行探伤。

2.暗物资是“冷”照旧“温”？天地小循序测量是要道

天地的第一代星系在暗物资晕中酿成。行使21厘米谱线不雅测，大致还不错匡助回应暗物资是“冷”照旧“温”这一要道问题。

字据天地学的不雅测，组成咱们天下的重子物资（原子物资）只占天地中总能量的5%，而暗物资则占了27%。暗物资的内容，是面前基础科学中最首要的科知识题之一。在面前的天地学中，科学家建议三种关联暗物资的表面模子——冷暗物资模子、热暗物资模子和温暗物资模子。

天地在“婴儿”时期相当酷热，各式粒子时常碰撞，处于“热浴”之中。暗物资在天地“婴儿”时期也处于“热浴”之中，但它们的碰撞截面相当小，跟着天地推广，温度快速下落，暗物资很快就不再参与碰撞。

若是暗物资退出碰撞时，表示速率比较慢，无法达到光速，这便是冷暗物资模子。若是其表示速率接近光速，便是热暗物资模子。由于热暗物资模子无法合阐明释天地大循序结构的酿成，因此冷暗物资模子成为主流模子。

但冷暗物资模子却无法很好地阐述一些星系循序上的问题——在冷暗物资模子中，星系的密度抽象在星系中心酿成陡峻的尖峰，而这与现实不雅测彰着不符；在冷暗物资模子中，大型星系周围存在大批的“卫星星系”，而在实测中看到的卫星星所有量与之比较要少得多。

濒临这么的情况，温暗物资模子应时而生。在天地大循序结构的酿成上，它也不错很好地说来日地学不雅测数据。由于表示速率快得多，比较于冷暗物资模子，温暗物资模子不错在一定进程上“抹平”一些小循序结构，从而弥补冷暗物资模子的不及。

但暗物资到底是“冷”照旧“温”？要思弄明晰这极少，要道是要精准测量天地小循序上的结构，可这是极其困难的。当今只好少数几种不雅测才略——如强引力透镜不雅测、赖曼—阿尔法丛林不雅测、星河系卫星星系不雅测等，不外这些才略也王人有局限性，当今尚不成从根柢上解答问题。

不外，还有一种酷爱的探伤才略——“21厘米丛林”不雅测。当配景源为射电噪类星体、伽马射线暴的射电余光等高红移射电亮的点源时，它们发出的光被其旅途上更冷的中性氢原子气体云团在21厘米波长上继承，那么在源的光谱上就会酿成一系列密集的21厘米继承线，这些丛林状的继承线被形象地称为“21厘米丛林”。它对于小暗晕的循序很敏锐，提供了在天地清晨时期探伤小至几千秒差距循序的唯一无二的技巧。

若是能够探伤到这么的21厘米继承线，那么通过对继承暗线的计数，就不错对暗物资粒子的质地进行规章，从而回应暗物资到底是冷照旧温这一基本问题。

与此同期，“21厘米丛林”信号随气体温度升高而消弱。现实上，天地早期的加热历史亦然天体物理和天地学中一个基本且未管制的问题，它与第一代星系的酿成有径直的磋议。若是“21厘米丛林”信号是不错被探伤到的，那么它本人也会成为天地加热历史的绝佳探针。

但是，早期天地结构酿成的加热效应会松驰禁绝“21厘米丛林”信号，使探伤变得相当具有挑战性——信号对温度很敏锐，一朝加热比较严重，信号就会很容易被下葬到噪声中，甚至于很难测到。

更难办的是，暗物资的性质和“天地清晨”的加热历程同期影响信号，二者的效应难以折柳。因此，咱们濒临着双重的难题，一是弱信号怎么索要的问题，二是暗物资效应与天地加热效应难以折柳的问题。

该怎么来破解这些时候难题呢？有科学家建议用加多不雅测时期的才略来管制弱信号索要问题。这是因为，对于亮堂的高红移类星体，不雅测时期加多到1000小时，相当弱的信号也有可能被索要出来。

即便有诸多优点和不可替代性，“21厘米丛林”亦然一个相当冷门的天地学探针。现实中根柢不可能有任何射电千里镜会给这么一个不雅测样貌如斯多的不雅测时期。这亦然为何这一才略被建议20年来还莫得付诸践诺的主要原因。

3.一箭双鵰，我国科学家建议“21厘米丛林”不雅测新才略

不外，东北大学和国度天文台的衔尾探究组最近在《当然-天文》发表了一项难题恶果，管制了“21厘米丛林”才略濒临的难题，使得这项不雅测有后劲同期测量暗物资粒子质地和天地清晨的加热历史，从而匡助论说暗物资的内容和天地第一批星系的性质。

这项探究建议了一个新颖的统计管制决议，通过测量“21厘米丛林”的一维功率谱来同期管制弱信号索要问题和简并问题。

在频率空间中，天地加热很容易使信号幅度镌汰而被下葬到噪声中难以探伤。但是，信号和噪声的循序依赖性是十足不同的，噪声在不同循序上没什么离别，而信号代表着不同循序的结团情况，二者区别彰着。

因此，若是践诺统计分析，把时期频率测量退换为空间频率测量，那么在新的空间中信噪比即可权贵晋升，而信号的统计特征也可随之闪现。

稀奇是暗物资效应和天地加热效野蛮“21厘米丛林”统计特征的影响是十足不同的，如斯一来，就不错通过该分析同期测量这两种效应。

咱们借助高动态范围的跨循序建模，模拟了“21厘米丛林”的不雅测，从而进一步行使模拟数据开展逼近现实不雅测的数据分析探究。假定一个合理的不雅测时期，举例100小时，将不雅测时期分红两半，两次测量的摒弃作念交叉干系。对于信号来说，这便是自干系测量，而对于噪声来说，交叉干系将可对其进行禁绝。这么的测量才略极地面晋升了探伤的颖悟度。

模拟测量的摒弃标明，通过一维功率谱的幅度和时势，将不错同期对温暗物资和天地加热效应进行测量。在天地加热进程不高的情况下，第一阶段的SKA低频阵将不错很好地测量到一维功率谱，况且有能力探伤至较小的循序；在天地加热进程较高的情况下，若是有多个配景射电源可用，则用第二阶段的SKA低频阵仍可收场较好的探伤。

测量“21厘米丛林”的一维功率谱不仅可提高颖悟度，从而使探伤成为可能，还提供了折柳暗物资效应和早期天地加热效应的才略——对于暗物资粒子质地的规章，“21厘米丛林”在高红移处提供了一种可行的探伤技巧，探索了其他不雅测无法涉及的循序和红移范围。通过测量天地加滚水平，“21厘米丛林”提供了规章第一代星系和第一批黑洞特点的才略，从而匡助揭示天地中第一批发光天体的性质。

这项探究澄澈地展示了“21厘米丛林”的一维功率谱确乎不错成为一箭双鵰的天地学探针，匡助推动咱们对早期天地的阐明，并为调查暗物资和第一代星系的奥妙提供了极有出路的新道路。

由于“21厘米丛林”探伤的收场与高红移配景射电源的不雅测密切干系，因此下一步是不竭发展和开拓大型射电千里镜（如SKA），以提供富裕的颖悟度和角分辨率来不雅测高红移的射电亮源。

这一才略的发展对于解开暗物资和天地早期天体酿成的奥妙具有难题酷爱，通过更深入的不雅测和分析，咱们有望在不久的来日获取对于暗物资性质和早期星系酿成的更多意见，进一步拓展对天地的领会。

（作家：徐怡冬 张鑫皇冠走地盘口，分别系中国科学院国度天文台副探究员、东北大学培育）