2022年05月29日 09:00
【科學快訊】
一百多億年前，第一批恒星的光芒劃破了無垠的黑暗，我們的宇宙迎來「黎明」。4年前，天文學家們曾以為他們找到了宇宙黎明留下的信號，但是在之後的實驗中，這個信號似乎又淹沒在了宇宙萬物的噪聲之中。
撰文|本·布魯貝克（Ben Brubaker）
編譯|鄭昱虹
審校|王昱
宇宙黎明的印記
宇宙大爆炸發生後，氫原子最初形成時以相同的速率吸收並發射波長21厘米的輻射。所以，充滿原始宇宙的氫雲團實際上是不可見的。
之後，第一批恒星誕生，宇宙的黎明來臨。恒星發出的紫外線激發電子躍遷，使氫原子吸收的21厘米射電波比它們發射的更多。由於這種現象，我們能從地球上看到的電磁波強度會在某個頻率下降，它標志著宇宙中第一批恒星點亮的時刻。
隨著時間推移，第一批恒星坍縮成黑洞。炙熱的氣體圍繞黑洞旋轉產生X射線，加熱整個宇宙的氫雲團，增加了21厘米波的發射速率，稍短波長的射電波強度提升。因此，最終的結果將是，我們會在一個狹窄的無線電波長範圍內，觀測到電磁波強度下降。
射電波在到達地球的過程中會被宇宙膨脹所拉伸。來自更遙遠的氫雲團的波相比來自更近的氫雲團的波被拉伸的時間更長，因此到達地球時的波長會更長，這為天文學家提供了宇宙曆史事件的時間戳記錄。
半個多世紀以來，天文學家一直通過波長21厘米的電磁波研究附近的星系。現在，通過一些設計巧妙的儀器，宇宙黎明時期的氫雲團發出的電磁波也成為了天文學家們尋找的目標。
凹陷與平滑的光譜
2018年，位於澳大利亞腹地的EDGES天線觀測到來自宇宙的射電波在4米波長左右強度減弱。這項成果登上了《自然》雜志，被視為關於宇宙黎明的突破性發現。
不過有意思的是，EDGES所觀測到的射電波強度減弱與宇宙學家的預測有顯著差異，波穀的形狀和出現時間都與預期不符。EDGES的數據表明，第一批恒星出現的時間出人意料地早，X射線很快就湧入了宇宙；更奇怪的是，早期宇宙中的氫比理論模型預測的更冷。
世界各地的天文學家由此提出了許多理論猜想，比如認為這是由於充滿宇宙的暗物質產生的奇異作用。同時，天文學家們也在並試圖證實EDGES所檢測到的信號的真實性。
2020年初，印度拉曼研究所（Raman Research Institute）的天文學家在印度的一對偏遠湖泊上安裝了SARAS天線，以尋找EDGES所觀測到的射電波減弱現象。今年2月，研究團隊在《自然·天文學》上報告了他們的結論：他們在4米波長附近測量得到了一個平滑的譜，沒有觀測到EDGES報告的現象。
加利福尼亞大學伯克利分校的射電天文學家亞倫·帕森斯（Aaron Parsons，沒有參與上述的兩項研究）說：「如果太空中真的存在這個信號，我們應當能重複觀測到它。」
從未看到過的黎明？
或許，EDGES的觀測結果有一個更平淡的解釋。
氫原子從宇宙的黎明時代發出21厘米的電磁波輻射，到達地球時波長為數米。這與FM廣播和電視的波長範圍重疊，容易被無線電幹擾所掩蓋，這也是為什麼EDGES需要在那麼偏遠的地方運行。不僅如此，這個信號還被銀河系亮數千倍的射電信號淹沒，而且在通過地球大氣層上層時被扭曲。
同樣重要的還有設備本身產生的細微影響。射電天線環境的擾動可以輕微地改變其觀測的夜空區域。在如此精確的實驗中，即使是幾十米外的表面發生的微弱的反射也會產生影響。這種反射的效果可能在特定的射電波長上增強，導致天線的觀測區域在不同波長上有微小的不同，從而使不同波長下的射電波強度發生變化。
EDGES團隊確實在他們的數據中看到了這種波動，而罪魁禍首或許是一塊30米寬的金屬板的邊緣，這塊金屬板被鋪設在天線周圍的地面上，以阻擋地面本身的發射的無線電波。研究團隊在分析數據時，已經為可能存在的反射進行了修正，但當時有一些天文學家指出，如果修正稍有偏差，就可能造成一個在狹窄的波長範圍內射電波強度下降的信號，與真正的宇宙黎明信號無法區分。
更精密的實驗
SARAS團隊為了追求在所有波長上更均勻的靈敏度，采用了一種不同的方法來設計天線。SARAS論文的主要作者蘇拉布·辛格（Saurabh Singh）表示，整體的設計原則就是維護光譜的平滑性。
科學家們把鋁制的錐形錐天線放在泡沫塑料板做成的小筏上，使其漂浮在平靜的湖面中央，以確保在任何水平方向上100米內都不會有反射。帕森斯稱這個方法非常巧妙且新穎。
此外，水中光速的減慢也削弱了來自湖底的反射的影響。並且，密度均勻的水體使實驗環境更容易建模。
最終，SARAS而沒有觀測到EDGES所報告的射電波強度減弱的跡象。這種現象是否真實存在還有待確定。帕森斯強調，SARAS團隊需要做更多的工作來闡釋測量結果的細微之處。
亞利桑那州立大學的EDGES實驗負責人賈德·鮑曼（Judd Bowman）認為，仍需要進一步的研究以解決這個問題。他在電子郵件中寫道：「我們很高興看到他們的初步觀測結果。考慮到進行這類觀測的難度，評估這項新成果並將其納入正在進行的調查還有很長的路要走。」
加拿大麥吉爾大學（McGill University）的射電天文學家H·辛西婭·蔣（H。
Cynthia Chiang，沒有參與這兩個實驗）表示，EDGES和SARAS的校准和分析步驟都做得非常縝密，所以現在判斷哪個結果是正確的還為時過早。「二者的分歧令人無法忽視，事情遠沒有結束。在我看來，這反而令人興奮。」
蔣正在領導另一項名為PRIZM的後續實驗，該實驗將在南非以南1000千米外的一個小島上進行。在那裏幾乎不存在任何無線電幹擾，而這正是SARAS面對的主要挑戰。
帕森斯預計SARAS的零結果將是最後的贏家。果真如此的話，這可能意味著宇宙黎明發出的信號太微弱，以至於目前的儀器無法識別。但帕森斯也表示，這不會抹去EDGES的巨大創新對這一領域的推動作用。
