科技日報記者 陸成寬
宇宙中第一代星系是怎樣形成的？它們如何照亮黑暗時代并迎來宇宙黎明？宇宙早期的星系介質是如何被第一代星系電離并加熱的？這些問題一直是天文學家致力于解答的重大科學難題。
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7月7日，國際學術期刊《自然·天文》在線發表了一項關于宇宙第一代星系和暗物質研究的最新成果。我國天文學家提出了一個新穎的統計解決方案，通過測量21厘米森林的一維功率譜，未來的平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）將能夠同時揭秘宇宙第一代星系和暗物質的性質。
探測到21厘米森林一直面臨極大挑戰
宇宙中存在大量的中性氫氣體，這些氣體中的氫原子，在基態能級超精細結構之間的躍遷，會產生電磁波波長為21厘米的線輻射，也就是中性氫21厘米線。
中性氫21厘米線為天文學家探索宇宙提供了巨大的機遇，是研究宇宙結構和演化的強有力工具。“中性氫21厘米線為探測宇宙黎明與第一代星系提供了獨一無二的手段，同時，利用中性氫21厘米譜線探測宇宙黎明與再電離也是平方公里陣列射電望遠鏡最重要的科學目標之一。”論文共同通訊作者、中科院國家天文臺研究員陳學雷說。
事實上，中性氫的21厘米信號有多種觀測模式。常見的觀測模式是以宇宙微波背景輻射為背景源的21厘米信號測量。同時，宇宙早期各種結構及其周圍的氫原子氣體會在高紅移射電點源的光譜上產生密集的21厘米吸收線。“這些吸收線叢，被天文學家形象地稱為21厘米森林。”陳學雷說，多年來，探測到21厘米森林一直面臨極大挑戰。
“主要原因有兩方面：一是21厘米森林信號微弱，并且探測它所依賴的宇宙黎明時期的射電亮源難以獲取；二是21厘米森林信號同時受到第一代星系加熱效應和暗物質性質的影響，我們觀測上很難區分這兩種效應，這就使得21厘米森林探測在提出以來的二十多年中，難以實際用于限制第一代星系的加熱效應或暗物質的性質。”論文共同通訊作者、中科院國家天文臺副研究員徐怡冬解釋。
在這項研究中，我國天文學家深入研究了過去鮮有論及的21厘米森林，并提出了一種原創性的統計測量方案，使得21厘米森林不僅能夠限制宇宙第一代星系的性質，還可以同時測量暗物質粒子的質量。
近年來，已經有一批高紅移射電噪的類星體被發現，而且平方公里陣列射電望遠鏡也進入了工程建設階段，開展21厘米森林觀測已迫在眉睫。
解開暗物質和第一代星系形成奧秘的新方法
“我們意識到由第一代星系的加熱效應和溫暗物質引起的信號變化，在光譜上的尺度分布特征存在明顯不同，通過一維功率譜分析，未來可以從統計上區分這兩種效應。”徐怡冬介紹，“而且，如果對同一段光譜的兩次測量做互相關，也能夠顯著壓低噪聲，從而提高信噪比。這也能提高21厘米森林這種弱信號的提取效率。”
模擬結果顯示，一維交叉功率譜測量顯著提高了觀測的靈敏度，同時，一維功率譜的幅度和形狀特征使得信號的尺度依賴性顯現出來。這使探測21厘米森林變得切實可行，且能夠同時測量暗物質粒子質量和宇宙黎明時期的熱歷史。
“因此，21厘米森林的一維功率譜確實可以成為一箭雙雕的宇宙學探針，為揭開暗物質和第一代星系之謎提供了一種極有前景的新途徑。”論文共同通訊作者、東北大學教授張鑫強調。
此次，徐怡冬和張鑫還應邀為《自然·天文》專門撰寫了介紹性短文。加拿大圓周理論物理研究所教授凱瑟琳·麥克在《自然·天文》評論道：“這項研究提出了一種有趣的方法，利用21厘米森林功率譜同時限制兩種現象：宇宙X射線對星系際介質的加熱以及溫暗物質的可能效應。雖然以前的研究已經檢查了21厘米森林作為星系際介質探針的可能性，但將溫暗物質效應作為一個獨立信號包含進來，則為未來的觀測提供了一個新的科學目標。”
《自然·天文》的編輯團隊也針對這項研究發表了評論：“我們宇宙的最遠處總是極為神秘，由于被塵埃、吸收光的原子和中間介質中的氣體阻擋而很難直接觀測。這項研究將吸收轉化為一種優勢，利用它打破了其他方法所遭遇的不同效應的簡并，并可用于闡明早期宇宙的結構形成。”
研究人員表示，這一突破性方法的發展對于解開暗物質和宇宙早期天體形成的奧秘具有重要意義，將進一步推動我們對暗物質的理解，揭示宇宙結構形成及演化的過程。通過更深入的觀測和分析，我們有望在不久的將來獲得關于暗物質性質和早期星系形成的更多見解，進一步拓展我們對宇宙的認知。
（國家天文臺供圖）
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