圖片來源：ESA/Christophe Carreau/Science Source
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(xué)家們?cè)詾樗麄冋业搅擞钪胬杳髁粝碌男盘?hào)，但是在之后的實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)信號(hào)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(fā)生后，氫原子最初形成時(shí)以相同的速率吸收并發(fā)射波長21厘米的輻射。所以，充滿原始宇宙的氫云團(tuán)實(shí)際上是不可見的。
之后，第一批恒星誕生，宇宙的黎明來臨。恒星發(fā)出的紫外線激發(fā)電子躍遷，使氫原子吸收的21厘米射電波比它們發(fā)射的更多。由于這種現(xiàn)象，我們能從地球上看到的電磁波強(qiáng)度會(huì)在某個(gè)頻率下降，它標(biāo)志著宇宙中第一批恒星點(diǎn)亮的時(shí)刻。
隨著時(shí)間推移，第一批恒星坍縮成黑洞。炙熱的氣體圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生X射線，加熱整個(gè)宇宙的氫云團(tuán)，增加了21厘米波的發(fā)射速率，稍短波長的射電波強(qiáng)度提升。因此，最終的結(jié)果將是，我們會(huì)在一個(gè)狹窄的無線電波長范圍內(nèi)，觀測(cè)到電磁波強(qiáng)度下降。
射電波在到達(dá)地球的過程中會(huì)被宇宙膨脹所拉伸。來自更遙遠(yuǎn)的氫云團(tuán)的波相比來自更近的氫云團(tuán)的波被拉伸的時(shí)間更長，因此到達(dá)地球時(shí)的波長會(huì)更長，這為天文學(xué)家提供了宇宙歷史事件的時(shí)間戳記錄。
半個(gè)多世紀(jì)以來，天文學(xué)家一直通過波長21厘米的電磁波研究附近的星系。現(xiàn)在，通過一些設(shè)計(jì)巧妙的儀器，宇宙黎明時(shí)期的氫云團(tuán)發(fā)出的電磁波也成為了天文學(xué)家們尋找的目標(biāo)。
凹陷與平滑的光譜
2018年，位于澳大利亞腹地的EDGES天線觀測(cè)到來自宇宙的射電波在4米波長左右強(qiáng)度減弱。這項(xiàng)成果登上了《自然》雜志，被視為關(guān)于宇宙黎明的突破性發(fā)現(xiàn)。
EDGES 天線，位于澳大利亞西部腹地。(圖片來源：LoCo Lab)
不過有意思的是，EDGES所觀測(cè)到的射電波強(qiáng)度減弱與宇宙學(xué)家的預(yù)測(cè)有顯著差異，波谷的形狀和出現(xiàn)時(shí)間都與預(yù)期不符。EDGES的數(shù)據(jù)表明，第一批恒星出現(xiàn)的時(shí)間出人意料地早，X射線很快就涌入了宇宙;更奇怪的是，早期宇宙中的氫比理論模型預(yù)測(cè)的更冷。
世界各地的天文學(xué)家由此提出了許多理論猜想，比如認(rèn)為這是由于充滿宇宙的暗物質(zhì)產(chǎn)生的奇異作用。同時(shí)，天文學(xué)家們也在并試圖證實(shí)EDGES所檢測(cè)到的信號(hào)的真實(shí)性。
2020年初，印度拉曼研究所(Raman Research Institute)的天文學(xué)家在印度的一對(duì)偏遠(yuǎn)湖泊上安裝了SARAS天線，以尋找EDGES所觀測(cè)到的射電波減弱現(xiàn)象。今年2月，研究團(tuán)隊(duì)在《自然·天文學(xué)》上報(bào)告了他們的結(jié)論：他們?cè)?米波長附近測(cè)量得到了一個(gè)平滑的譜，沒有觀測(cè)到EDGES報(bào)告的現(xiàn)象。
加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的射電天文學(xué)家亞倫·帕森斯(Aaron Parsons，沒有參與上述的兩項(xiàng)研究)說：“如果太空中真的存在這個(gè)信號(hào)，我們應(yīng)當(dāng)能重復(fù)觀測(cè)到它。”
從未看到過的黎明?
或許，EDGES的觀測(cè)結(jié)果有一個(gè)更平淡的解釋。
氫原子從宇宙的黎明時(shí)代發(fā)出21厘米的電磁波輻射，到達(dá)地球時(shí)波長為數(shù)米。這與FM廣播和電視的波長范圍重疊，容易被無線電干擾所掩蓋，這也是為什么EDGES需要在那么偏遠(yuǎn)的地方運(yùn)行。不僅如此，這個(gè)信號(hào)還被銀河系亮數(shù)千倍的射電信號(hào)淹沒，而且在通過地球大氣層上層時(shí)被扭曲。
同樣重要的還有設(shè)備本身產(chǎn)生的細(xì)微影響。射電天線環(huán)境的擾動(dòng)可以輕微地改變其觀測(cè)的夜空區(qū)域。在如此精確的實(shí)驗(yàn)中，即使是幾十米外的表面發(fā)生的微弱的反射也會(huì)產(chǎn)生影響。這種反射的效果可能在特定的射電波長上增強(qiáng)，導(dǎo)致天線的觀測(cè)區(qū)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(qiáng)度發(fā)生變化。
EDGES團(tuán)隊(duì)確實(shí)在他們的數(shù)據(jù)中看到了這種波動(dòng)，而罪魁禍?zhǔn)谆蛟S是一塊30米寬的金屬板的邊緣，這塊金屬板被鋪設(shè)在天線周圍的地面上，以阻擋地面本身的發(fā)射的無線電波。研究團(tuán)隊(duì)在分析數(shù)據(jù)時(shí)，已經(jīng)為可能存在的反射進(jìn)行了修正，但當(dāng)時(shí)有一些天文學(xué)家指出，如果修正稍有偏差，就可能造成一個(gè)在狹窄的波長范圍內(nèi)射電波強(qiáng)度下降的信號(hào)，與真正的宇宙黎明信號(hào)無法區(qū)分。
更精密的實(shí)驗(yàn)
SARAS團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)天線。SARAS論文的主要作者蘇拉布·辛格(Saurabh Singh)表示，整體的設(shè)計(jì)原則就是維護(hù)光譜的平滑性。
科學(xué)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(nèi)都不會(huì)有反射。帕森斯稱這個(gè)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。并且，密度均勻的水體使實(shí)驗(yàn)環(huán)境更容易建模。
漂浮在湖面上的SARAS 天線，位于印度。(圖片來源：Saurabh Singh)
最終，SARAS而沒有觀測(cè)到EDGES所報(bào)告的射電波強(qiáng)度減弱的跡象。這種現(xiàn)象是否真實(shí)存在還有待確定。帕森斯強(qiáng)調(diào)，SARAS團(tuán)隊(duì)需要做更多的工作來闡釋測(cè)量結(jié)果的細(xì)微之處。
亞利桑那州立大學(xué)的EDGES實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人賈德·鮑曼(Judd Bowman)認(rèn)為，仍需要進(jìn)一步的研究以解決這個(gè)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(cè)結(jié)果。考慮到進(jìn)行這類觀測(cè)的難度，評(píng)估這項(xiàng)新成果并將其納入正在進(jìn)行的調(diào)查還有很長的路要走。”
加拿大麥吉爾大學(xué)(McGill University)的射電天文學(xué)家H·辛西婭·蔣(H. Cynthia Chiang，沒有參與這兩個(gè)實(shí)驗(yàn))表示，EDGES和SARAS的校準(zhǔn)和分析步驟都做得非常縝密，所以現(xiàn)在判斷哪個(gè)結(jié)果是正確的還為時(shí)過早。“二者的分歧令人無法忽視，事情遠(yuǎn)沒有結(jié)束。在我看來，這反而令人興奮。”
蔣正在領(lǐng)導(dǎo)另一項(xiàng)名為PRIZM的后續(xù)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)將在南非以南1000千米外的一個(gè)小島上進(jìn)行。在那里幾乎不存在任何無線電干擾，而這正是SARAS面對(duì)的主要挑戰(zhàn)。
帕森斯預(yù)計(jì)SARAS的零結(jié)果將是最后的贏家。果真如此的話，這可能意味著宇宙黎明發(fā)出的信號(hào)太微弱，以至于目前的儀器無法識(shí)別。但帕森斯也表示，這不會(huì)抹去EDGES的巨大創(chuàng)新對(duì)這一領(lǐng)域的推動(dòng)作用。
