[科普中国]-天文学家捕捉到宇宙第一代恒星的辐射信号

这些信号显示出早期宇宙中普通氢元素与暗物质之间可能存在的相互作用，但一些科学家对此仍持怀疑态度。在进行了近20年的无限射电望远镜长期观测后，天文学家终于发现了他们一直在追寻的来自早期宇宙的微弱信号。一个科研团队称，他们发现了来自宇宙第一代恒星的辐射迹象，这批恒星大约诞生于宇宙大爆炸后的1亿8千万年——这个时间相对于宇宙的寿命只是一眨眼的功夫。“除了宇宙微波背景辐射之外，这是已观测到的最早的一种宇宙信息。相较于哈勃望远镜正在观测的诞生于宇宙4亿岁时的早期星系，我们观测的时间点只有它一半的年龄”，正在亚利桑那州的坦佩（Tempe）工作的，亚利桑那州立大学的宇宙学家贾德·鲍曼（Judd Bowman）说道。这项研究工作发表于2018年2月28日的《自然》杂志，鲍曼是论文的第一作者。在那个被称作“宇宙黎明（Cosmic dawn）”的时代，第一批恒星由原始的氢气与氦气结合而成。它们辐射出的紫外光与周围区域的氢原子相互作用后，在宇宙大爆炸余晖中的射电光谱里留下了一个关键的标志。寻找这样的关键信号有助于天文学家探索宇宙早期是如何开始组建自身结构的。鲍曼与他的合作者，称他们的工作为“消电离特征信号的全域纪元探测实验（Experiment to Detect the Global Epoch of Deionization Signature）”，缩写为EDGES。这一实验正在寻找的微弱信号功率不超过实验仪器接收射电信号总强度的千分之一，这让它从来自银河系的固有噪声信号中分离出来极其困难，鲍曼说。这就像是在一个嘈杂的自助餐厅里听朋友喊你的名字——你连他们的声音都辨别不出，更不要说知道他们在说什么了。但鲍曼认为实验团队已经采取了必要的手段，例如减少并模拟实验中的不确定因素，加上合理的校准仪器——以确信他们的测量确实是在和遥远的过去进行联系。信号的存在并不让人意外，但它的频率比预想的要低，这可能预示着第一代恒星与星系的合成极为高效。更重要的是，信号的强度远远超出预期，这表明宇宙早期的原始气体比天文学家用热力学模型推算出的结果来的更冷。“如果这个有趣的测量结果属实的话，那就意味着出现了很奇怪的事情”，特拉维夫大学的天体物理学家任南·巴卡那（Rennan Barkana）说道，他在同期杂志撰写了相关文章。鲍曼的观测还需要更多的合作探讨来带来意外的发现，巴卡那认为。“关于暗物质是如何相互作用的，答案目前非常不确定，而且也没有多少观测线索，所以我对此不置可否”，他补充说。想冷却物质就必须进行热能的传递，比如空调就是这样工作的。因而，想冷却原始氢气的话，就必须有比其更冷的物质存在。对此，巴卡那建议开展对缓动暗物质粒子的观测研究。虽然不知何故，暗物质仅在宇宙的这一时期与氢原子相互作用：此时一切物质都逃离了宇宙大爆炸的熔炉，而且可以加热周边气体的恒星还没形成。但是这种冷却成立的话，就意味着暗物质粒子比大多数物理学家认为的要轻的多。“我认为这是一个有趣的可能性”，加州大学洛杉矶分校的天体物理学家史蒂芬·富拉内托（Steven Furlanetto）说到。“但是必须评估这是否会影响到天文学中其他的暗物质很重要的领域，比如对星系团的研究就表明这些作用非常受限。我希望尽快看到对信号准确性检测的文章。”普林斯顿大学的天体物理学家维拉·格鲁斯塞维奇（Vera Gluscevic）则对观测结果表示认同。“我并不认为这很疯狂，如果这个结果是真的，将会非常激动人心。我很兴奋的想弄清楚这一信号是什么，它是否来自暗物质。但我们需要投入更多的时间来进行确认”，她说道。对于鲍曼和EDGES团队观测到的强射电信号还存在另一种可能的解释是，有更多的射电背景辐射被吸收了，而不是原始氢气比原先想象的更冷。但目前的测量还不能区分这两种可能性。不过，在荷兰的“射电观测低频阵列”，与在南非的“氢纪元再电离阵列（Hydrogen Epoch of Reionization Array）”，也就是大家熟知的HERA，都将建设完成，届时这一问题就可以得到解决。“我认为，现在对这些新物理学下定论还为时过早”，HERA项目的领导者，加州大学的天文学家亚伦·帕森斯（Aaron Parsons）说道， HERA项目会利用与EDGES相同的一些射电频率进行探测。“EDGES团队已经做了很多细致的工作，但我认为他们还不能确认这是真实的信号还是仪器校准中出现的某些东西。”总之，为了探明136亿年前恒星和暗物质究竟发生了什么，天文学家们将不得不再等上几年。作者：拉敏·斯奇巴（Ramin Skibba）；文章来源：AIP InsideScience文章由“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”https://www.insidescience.org/news/astronomers-catch-faint-message-universe%E2%80%99s-first-stars美国物理联合会（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience专栏为《超级科学》独家供稿，2018年2月28日