一台名叫“边缘”的望远镜 找到了宇宙第一缕星辉

　　来源：Nature自然科研

　　原文作者：Elizabeth Gibney

　　来自宇宙黎明的信号也暗示着暗物质的存在。

　　天文学家第一次发现了长期寻找的宇宙中有史以来最早形成的恒星的光信号――这些恒星约在宇宙大爆炸的1.8亿年后形成。


澳大利亚西部的一个射电望远镜探测到宇宙第一批恒星发出的光。

　　来源：联邦科学与工业研究组织

　　信号是氢吸收一些原始光后在背景辐射上留下的“指纹”。证据表明构成早期宇宙的气体比预测的要冷。物理学家说，这可能是受暗物质影响的一个标志。如果得到证实，这一发现可能标志着暗物质首次通过引力效应之外的其他事物被探测到。

　　“除了宇宙大爆炸的余辉之外，这是我们首次看到来自这么早的宇宙时期的信号。”亚利桑那州立大学的天文学家Judd Bowman说。他负责领导这项研究，该研究于2月28日发表在《自然》上。荷兰格罗宁根大学的宇宙学家Saleem Zaroubi说：“如果这是真的，这将是重大新闻。”他还表示，其他团队需要确认该信号，但迄今为止，这些发现似乎很可靠。“这是件非常令人兴奋的事。这是宇宙历史上我们知之甚少的一段时期。”

　　恒星闪耀

　　物理学家认为，138亿年前的宇宙大爆炸产生了一个电离等离子体，并随着宇宙的膨胀迅速冷却。大约37万年后，这团混沌开始形成中性氢原子。随着时间的推移 和在重力的影响下， 它们聚集在一起形成了燃烧的恒星。这种转变被称为宇宙黎明（参见‘黎明的早期光’）。



　　现在这些恒星的光线是如此微弱，以至于用地球望远镜探测它几乎是不可能的。但是天文学家一直希望间接地看到它：这些光应该微妙地改变了曾经充满恒星之间空间的氢的行为。这种改变使得氢气在21厘米的无线电波长下，吸收宇宙微波背景（CMB）的辐射――也就是宇宙大爆炸的余辉，使CMB的强度下降。

　　为了寻找该信号，团队使用了一台名为“全天再电离时期信号探测实验”（EDGES）的射电望远镜，它位于澳大利亚西部的默奇森射电天文台。因为我们自己的星系和人造FM收音机产生与信号相同波段的波，因此要仔细滤除这些更强大的信号源才可能发现CMB强度的下降。但Bowman和同事们很快就发现了和预测频率值大致一致的信号。尽管其辐射强度有0.1%的下降，但仍是预测的大小的两倍。这一发现如此突出，所以研究人员花了两年时间来确认它并非来自仪器效应或噪音。他们甚至建造了第二根天线，并在不同的时间将它们的仪器指向不同的天空片。“两年后，我们通过了所有测试，并且找不到任何替代解释，” Bowman说，“我们这才开始感到兴奋。”

　　这个时期的辐射随着宇宙的扩展而延伸，这意味着发现信号的频带揭示了它的年代。这使得该团队能够将宇宙黎明的最新发生日期追溯到宇宙大爆炸发生后的1.8亿年。该信号的消失揭露了第二个里程碑――第一批恒星死亡所造成的更高能的X射线提高气体温度并关闭信号的时间。Bowman的团队把这个时间点定在大爆炸发生后约2.5亿年。

　　了解这些原始恒星非常重要，不仅因为它们塑造了周围的物质，还因为它们的爆炸性死亡创造了含较重元素（如碳和氧）的混合物，后来进一步形成了恒星，Bowman介绍。“如果我们真的想要了解我们起源的宇宙阶梯，这是关键一步。”他说。

　　宇宙摇篮

　　尽管信号以预期的频率出现，但其强度完全出乎意料，以色列特拉维夫大学的宇宙学家Rennan Barkana说，他在《自然》上发表了第二篇相关论文。他说，“我其实很惊讶”，信号的强度表明，要么宇宙黎明中的辐射比预期要多，要么气体比预测的温度更低，不管哪个解释都“非常奇怪而且意外”。

　　对Barkana来说唯一合理的解释是气体被某种东西冷却了。他说，一切指向了暗物质，因为理论上预测暗物质在宇宙黎明时候应该是冷的。Barkana还说，结果也表明暗物质应该比主流理论认为的更轻。这可能有助于解释为什么物理学家在数十年的实验中依然未能直接观察到暗物质。如果那是真的，我们必须设计新的实验才能看到它，他补充道。

　　目前，宇宙黎明信号仍未被证实。但其他实验正争先恐后地对其进行进一步探查。大多数射电天文学家一直在寻找宇宙历史一个较晚阶段的其他氢信号。南非卡鲁沙漠的“氢原子再电离时代阵列”（HERA）国际射电望远镜项目就是这样一个实验，现在科学家用其探测Bowma团队探索的波长信号。他希望该实验能在未来几年里复制他的结果。

　　其他的实验，例如LOFAR（低频阵列）――一个分布在欧洲五个国家的大型无线电天线系统，应该能够进一步推动发现并弄清信号强度如何在天空中波动。如果是暗物质导致了强信号，那应该可以观察到其独特的表现模式。“我们渴望另一台仪器来确认它，” Bowman说。

　　康奈尔大学的天文学家Martha Haynes说，我们35年来一直在研究恒星首次形成的时期，“我很高兴去想我们终于探测到了追寻了这么长时间的信号。”