2022年03月06日 10:30
【科學快訊】
來源：原理
我們對早期宇宙發生的事情仍然知之甚少。目前主流的共識是，宇宙大爆炸之後的很長一段時間裏，在最早的恒星誕生之前，宇宙一直保持著中性且黑暗的狀態，也就是宇宙的黑暗時期。直到第一批恒星出現，宇宙才真正迎來了「黎明」。但是，宇宙黎明到來的時間仍然是個謎。
大爆炸會產生電子和質子。隨著宇宙的膨脹和物質的冷卻，在大爆炸約38萬年後，電子和質子會結合形成中性氫（即複合時期）。在引力的作用下，氫會聚集坍縮形成第一批恒星和星系，這一時期被稱為「宇宙黎明」。| 圖片來源：NASA/WMAP Science Team； R。
Ellis（Caltech）
2018年，宇宙學界出現了一場不小的轟動事件。來自EDGES的天文學家報告稱，他們發現一個特定頻率的射電波比來自夜空的其他波明顯要暗得多，這被解讀為「宇宙黎明」在光譜中留下的特征，也就是大爆炸後第一批恒星誕生的突破性信號。這是許多天文學家夢寐以求希望看到的。
更重要的是，觀測到的信號和理論預測有很大區別，它還引發了一系列理論活動。與此同時，全世界的天文學家也開始試圖檢驗確認這一信號。
近日，一組研究團隊公布了他們最新的搜索結果。非常遺憾的是，結果是否定的，他們沒有找到之前出現的那種信號。團隊已於近日將結果發表在《自然·天文學》上。
宇宙黎明的特征
來自可觀測宇宙中最古老的恒星的光線必須經過一百多億年的旅行才能到達地球，這太遙遠了，普通的望遠鏡完全無法直接觀測。為了尋找宇宙的第一縷星光，射電天文學家一直在利用射電波頻譜尋找一種間接的影響。
氫原子會天然地吸收並發射波長21厘米的射電波。由於宇宙在不斷地膨脹，因此這些射電波在前往地球的旅途中會被拉長。那些來自更遙遠氫雲的波，被拉伸的時間也更長，所以抵達地球時的波長也會變得更長。這種光的拉伸為天文學家提供了一種宇宙曆史事件的時間戳記錄。
半個多世紀以來，天文學家一直在利用21厘米發射的概念來研究附近的星系。但隨著科學的發展，許多天文學家也開始測量更長的波長，從而尋找更古老的氫雲發射。
當氫原子最初形成時，它們以相同的速率吸收並發射環境21厘米輻射，因此，充斥著原始宇宙的氫雲實際上是看不見的。隨後，宇宙黎明到來，來自第一批恒星的紫外線輻射激發了原子躍遷，使得氫原子吸收的21厘米波比它們發射的要多。
從地球上看，這種多出來的吸收就會在一個特定的射電波長上表現出亮度下降，這就標志著最早的恒星被點燃的時刻。隨著時間的推移，第一批恒星坍縮成黑洞。圍繞這些黑洞旋轉的高溫氣體產生了X射線，加熱了整個宇宙的氫雲，增加了21厘米發射的速率。我們會觀測到比更古老的光的波長稍短的射電波長上亮度的略微上升。最終的結果便是，在一個狹窄的射電波長範圍內出現亮度的微小「凹陷」。
EDGES天線。| 圖片來源：Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation
2018年，研究人員在澳大利亞內陸使用一個類似咖啡桌的儀器，它被稱為EDGES（檢測再電離時代的全局特征實驗），報道了原始射電頻譜上出現的這樣一處凹陷。團隊認為，這就是宇宙黎明的特征信號。
隨之而來的問題
但是EDGES的信號似乎是個「過分好」的東西了。頻譜中的凹陷比理論預測的更深、也更廣。這處凹陷出現在波長4米左右的位置，並不是理論學家所預期的位置。如果這是真的，它說明第一批恒星出現得比預想的早得多，而之後X射線很快便充斥了整個宇宙。更奇怪的是，這處凹陷非常顯著，表明早期宇宙中的氫比理論模型預測的要冷。
同時為了解釋這樣一個印記，理論物理學家也嘗試提出了一系列奇特的機制，例如可能存在前所未知的基本粒子，它的電荷只有電子的數千分之一。
但還有一些研究人員則表示對這一結果本身的疑慮。探尋宇宙黎明的射電信號的困難不言自明，來自早期宇宙的射電波會被各種各樣的信號源產生的噪聲所淹沒，靈敏的探測天線也會受到各種意想不到的微弱影響，從而導致結果偏差。用一些天文學家的話說，在頻譜中尋找原始特征就像站在數千米外想要發現山頂上的樹影一樣。
為了排除各種問題，EDGES團隊在發表數據之前花費了兩年時間進行了反複檢查，以精確的計算排除了環境、實驗系統性等各種方面的影響。但它顯然沒能讓所有人信服。隨後，不少研究團隊著手開始對EDGES的發現展開交叉驗證。
新的實驗
來自宇宙黎明的氫21厘米發射到達地球的波長為數米，這恰好在調頻廣播和電視廣播的範圍內，排除人類活動的無線電頻率的幹擾是探測的首要任務之一。為此，研究人員在地球上一些最偏遠的角落架設了天線。
在這項新的研究中，研究團隊采用了一種史無前例的方法，他們決定讓儀器漂浮在印度的湖面之上。這台被稱為SARAS（背景射電頻譜的異形天線測量）的天線呈圓錐形，這讓它對射電波的反應更易計算，而它下面的水則意味著科學家不用處理不確定的地形結構和射電特征，讓處理數據時對環境的建模更加方便。
在多次嘗試後，團隊找到了鹽度適當的湖泊進行了實驗。最終，SARAS在4米波長附近測量到了一個平滑的頻譜，並沒有找到之前EDGES看到的深度凹陷的跡象。有研究人員猜測，EDGES的凹陷可能來自儀器誤差。
還沒結束 ；
雖然這一結果有些令人失望，但大多數天文學家都認為，下定論還為時尚早。總的來說，無論就儀器校准還是分析手段等方面而言，EDGES和SARAS都稱得上是極其縝密周全的實驗，因此現階段簡單地說誰對誰錯都太草率了。
目前，仍有幾項相關實驗在進行中，答案或許就在不遠的未來。與其說這一結果帶來了失望，不如說它讓科學家更興奮了。
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撰文：Takeko
設計/排版：雯雯
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