再次突破：更接近130亿年前，宇宙“黑暗时代”结束发出的信号

仰望星空，感觉宇宙被繁星填满了夜空。但是，当宇宙还处于初级阶段时，宇宙中没有恒星，没有光源，整个宇宙黑漆漆的一片。现在一个国际科学家团队比以往任何时候都更接近于探测、测量和研究宇宙初生时代的信号，自从那个没有恒星的时代在大约130亿年前结束以来，这个信号一直在宇宙中传播。该团队由华盛顿大学、墨尔本大学、科廷大学和布朗大学的研究人员领导。

其研究成果发表在《天体物理学》期刊上，研究人员将Murchison Widefield阵列收集的无线电发射数据提高了近10倍。研究小组成员目前正在搜寻这架位于偏远西澳大利亚的射电望远镜数据，以寻找宇宙这个鲜为人知的“黑暗时代”信号。了解这一时期将有助于解决当今关于宇宙的主要问题。密歇根大学物理学教授、团队成员米格尔·莫拉莱斯(Miguel Morales)表示：

我们认为，这个时代的宇宙属性，对第一批恒星的形成产生了重大影响，并启动了后期宇宙的结构特征。那个时代物质在宇宙中的分布方式，很可能决定了星系和星系团的分布方式。在一下这个黑暗时代之前，宇宙是炽热而稠密的。电子和光子有规律地相互缠绕，使宇宙变得不透明。但当宇宙的年龄不到一百万年时，电子-光子相互作用就变得罕见了。不断膨胀的宇宙变得越来越透明和黑暗，开始了宇宙的黑暗时代。

没有恒星的时代持续了数亿年，在此期间，中性氢原子主导了宇宙。在宇宙的黑暗时代，没有基于光的信号可以研究来了解它，整个宇宙都没有可见光！但有一个特定的信号我们可以寻找，这个信号来自中性氢。虽然从未测量过这个信号，但天文学家知道它就在那里，而且很难探测到，因为自从这个信号发出130亿年来，宇宙已经变得非常繁忙，充斥着来自恒星、星系的其他活动，甚至是人类的技术，淹没了来自中性氢的信号。

研究团队寻找130亿年前的信号是电磁波发射，中性氢在21cm的波长上发射。自那时以来，宇宙一直在膨胀，将信号波长延伸到近2m。这个信号应该包含关于黑暗时代和结束事件的信息。当宇宙只有10亿岁的时候，氢原子开始聚集并形成第一批恒星，结束了黑暗时代。来自第一批恒星的光开启了一个新纪元（再电离时代），来自这些恒星的能量将大部分中性氢转化为电离等离子体，直到今天，等离子体仍然主导着星际空间。

再电离时代和之前的黑暗时代，是理解宇宙特征的关键时期，比如为什么我们有一些区域充满星系，而另一些区域相对空旷，物质的分布，甚至可能是暗物质和暗能量。Murchison阵列是研究的主要工具，这个射电望远镜阵列由4096个偶极天线组成，可以捕捉到像中性氢电磁特征这样的低频信号。但是，由于来自宇宙中其他来源的电磁“噪声”，包括星系、恒星和人类活动，这些低频信号很难被探测到。但研究人员开发出越来越复杂的方法来过滤这种噪音，并使它们更接近那个信号。

研究已经从超过21小时的Murchison Array数据中过滤出了电磁干扰，包括来自人类各种无线电广播的电磁干扰。往前看，该团队有大约3000小时射电望远镜阵列收集的额外数据。研究人员正试图过滤掉干扰，进一步接近中性氢发出难以捉摸的信号，以及它能照亮的黑暗时代。

博科园｜研究/来自：华盛顿大学

研究发表期刊《天体物理学》

DOI: 10.3847/1538-4357/ab55e4

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