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在最新的《自然》期刊中，美國科學家成功捕捉到了再電離時期的21厘米中性氫原子信號，探測到了宇宙的“第一縷曙光”。 這意味著天文學對宇宙“黑暗時代”的研究，翻開了一個新的篇章。 而他們發現信號中的異常之處，還可能有助於科學家分析暗物質的性質。
撰文 韓晶晶
現在，儘管還有些關鍵問題沒有答案，但如果說我們對宇宙已經有了相當的了解，也不算誇大其辭。 我們知道宇宙源於大爆炸，知道如今宇宙中的物質結成了星系和星系團等結構，甚至也知道最初均勻分佈的物質是怎樣演化成這樣的結構的，還知道在這背後有暗物質和暗 能量在發揮作用（遺憾的是，這兩者到底是什麼仍是未解之謎）。
這樣的光輝成就，在很大程度上得益於天文觀測手段的進步。 越來越強大的望遠鏡讓天文學家在空間上觀察到了更加遙遠的天體，在時間上追溯回更深遠的過去。 例如，哈勃望遠鏡已經觀測距離我們 320 億光年的星系，它存在於約 134 億年前，宇宙誕生 4 億年後。 此外，通過源於大爆炸後僅 38 萬年的微波背景輻射，天文學家甚至還可以窺探到更早期的宇宙。 不過，在最遙遠、最古老的星系，與微波背景輻射之間，存在一個天文觀測一度無法觸及的空白區域。 而這個空白階段，又是天文學家非常感興趣，對了解宇宙演化全過程非常關鍵的階段。
宇宙演化的時間線。 該研究確認，最早的恆星誕生時間不晚於大爆炸後1.8億年。 繪圖：N.R. Fuller，美國國家科學基金會
在大爆炸中誕生的宇宙溫度曾非常高，光子不斷與電子碰撞，使其無法和原子核穩定結合，此時的宇宙是一團原子核、電子和光子混雜在一起的濃湯，是完全不透明的。 而宇宙隨著膨脹而不斷冷卻，當溫度降低到原子核可以與電子結合為穩定的原子，光子從中解放出來，成為了微波背景輻射，宇宙也變得透明了。 在這之後， 宇宙中只有氫原子（還有一些氦原子）組成的氣體 ， 溫度也已經冷卻得非常低。 在整個宇宙中，一絲可見光都沒有，因此天文學家把這個階段稱為 “宇宙的黑暗時代” 。
宇宙的“黑暗時代”
根據目前的宇宙演化理論，之後又過了數億年，在引力的作用下，暗物質和普通物質聚集起來，形成了星系和恆星，第一代恆星發出的輻射讓黑暗的宇宙迎來了黎明， 同時輻射中的紫外線也逐漸讓周圍氣體中的氫原子重新電離，因此天文學家也把這個階段稱作“再電離”。
宇宙中第一顆恆星的藝術圖。 繪圖：N.R. Fuller，美國國家科學基金會
當然，這樣的過程是理論的推測，究竟最初的星系和恆星是如何形成的，再電離過程由是如何展開的，天文學家渴望能直接通過觀測得到線索。 但要通過什麼手段才能看到那個時期呢，畢竟原初的氫原子氣體是“黑暗”的，而在那樣遙遠的距離，單個第一代恆星發出的光也顯得微不足道。
幸運的是， 即使是非常冷的氫原子，也能發出一種特殊的輻射。 氫原子是由一個氫原子核（質子）和一個電子組成的，原子核和電子的自旋方向可能相同，也可能相反，而在這兩種狀況下，原子的能量存在微小的差異。 如果電子本來與原子核自旋方向相同，在自旋翻轉、變得與原子核的方向相反時，原子的能量降低，就會發出波長為 21 厘米的輻射。 反之，低能狀態的氫原子也可以吸收 21 厘米波長的光子，翻轉電子的自旋方向。
在實驗室中，這種21 厘米輻射是很難觀察到的，因為電子自旋翻轉的概率實在太低了，即使本來處於能量較高的狀態，它也很不情願翻轉到低能狀態，一個電子 平均每1000 萬年才會這樣翻轉一次。 不過，宇宙中的氫原子實在太多了，即使概率極低，單位時間發生電子自旋翻轉的氫原子絕對數量也是可觀的，完全能產生可供觀測到的輻射。
與電子在不同能級之間躍遷所需要的能量相比，自旋翻轉需要的能量要小得多，即使在恆星誕生之前，微波背景輻射的光子以及原子之間的相互碰撞都足以讓某些 電子自旋翻轉。 電子與氫核自旋同向和反向，這兩種原子的數量比例反映了中性氫整體上與電子自旋有關的能量狀態。 就像原子無規則運動的速度決定了內能，定義了溫度一樣，這個比例也可以定義一個溫度—— 自旋溫度 。
這樣一來，在宇宙的黑暗時代，有三種標誌性的溫度，一個是氫原子的自旋溫度，另一個就是一般意義上的溫度——由原子的無規則運動決定的動力學溫度，還有 一個是體現了微波背景輻射光子能量的輻射溫度。 這三種溫度的關係隨著宇宙演化不斷變化，也決定了中性氫究竟是自己發出 21 厘米輻射，還是吸收微波背景輻射中的21厘米成分。
最初，在宇宙剛進入黑暗時代的時候，微波背景輻射光子不斷與原子碰撞交換能量，三種溫度是保持相等的。 隨著宇宙膨脹，光子越來越稀疏，跟原子的能量交換變得越來越低效，動力學溫度和輻射溫度就脫節了，兩者都隨著膨脹降低，但動力學溫度下降得更快 。 而這時原子間的碰撞對自旋狀態影響更大，自旋溫度和動力學溫度保持一致，低於輻射溫度，氫原子會吸收 21 厘米輻射。
但隨著宇宙膨脹，氫原子本身也變得過於稀疏，很難通過碰撞讓電子自旋翻轉，微波背景輻射光子決定了自旋狀態。 自旋溫度和動力學溫度脫節，開始跟輻射溫度保持一致。 此時氫原子整體上既不吸收 21 厘米輻射，也不會發出 21 厘米輻射。
隨著第一代恆星形成，情況又發生了變化，恆星發出的紫外輻射讓氫原子的動力學溫度上升，同時也會讓它們短暫電離後又重新和電子結合。 電子在來去之間改變了自己的自旋方向，決定兩種原子比例的，又由微波背景輻射變回了動力學溫度。 此時，自旋溫度等於動力學溫度，仍低於輻射溫度，所以氫原子又開始吸收 21 厘米輻射。 之後，自旋溫度隨著動力學溫度不斷上升，終於超過了輻射溫度，氫原子就重新開始發出 21 厘米輻射。 最終，氫原子被恆星的紫外線完全電離，21 厘米信號也就徹底消失了。
隨著宇宙的膨脹，曾經波長為 21 厘米的信號，抵達我們的時候已經發生紅移，波長被拉長了很多。 例如，黑暗時代剛開始時發出 21 厘米輻射，波長已經變成了 210 米，而在黑暗時代結束時發出的輻射，波長則變成了 1~2 米。 這也就是說，信號中不同波長的成分源於早期宇宙的不同時期，攜帶了反映當時宇宙成分和結構的信息。
因此，通過觀測 21 厘米輻射信號，天文學家可以了解寒冷黑暗的“黑暗時代” ，以及之後的宇宙再電離過程。 如果能分辨天空不同位置的信號強度，還可以更進一步地研究電離區域是如何演化擴大的。 天文學家也的確一直在嘗試觀測再電離時期的 21 厘米輻射，追尋“宇宙的第一縷曙光”。 最近，美國亞利桑那州立大學的 Judd Bowman 和 麻省理工的 Alan Rogers 等人合作開展的 EDGES 項目終於開花結果，他們利用設置在澳大利亞默奇森射電天文台的射電天線 ， 首次探測到了宇宙早期的 21 厘米氫原子輻射信號 ， 相關論文發表在最新一期的《自然》（ Nature ）。
這個位於澳大利亞西部的 默奇森射電天文台的射電天線首次探測到宇宙早期的 21 厘米氫原子輻射信號。
在此項研究中，EDGES 團隊的目標是探測波長在 1 到 6 米之間的全天微波背景輻射譜。 他們的設備相對來說比較簡單，就是一台餐桌大小的射電天線。 儘管沒能力分辨信號在空間上來自天空中的哪個位置，但這個天線非常適合捕捉微弱的低頻信號。
研究者發現，輻射譜在波長大約 4.3 米到 3.5 米之間出現了一個非常明顯的“山谷”，這正好對應於紅移從 20 到 15 的 21 厘米輻射。 這樣的紅移對應於大爆炸後 1.8 億年到 2.7 億年間，“山谷”意味著此時第一代恆星剛出現，發出的紫外線導致氫原子吸收微波背景輻射中的 21cm 成分。
第一代恆星出現時，氫原子吸收 21 厘米輻射，形成圖中的“山谷”。 來源：Bowman et al. 2018, Nature
輻射譜上“山谷”的位置，也就是吸收信號出現和消失的時間，與理論模型的預言符合得很好。 不過，“山谷”的谷底非常平，這有些出人意料，這意味著早期的恆星迅速就產生了足夠的輻射，可能對第一代恆星的形成理論提供一些線索。 而更讓人意外的則是“山谷”非常深，信號的強度要比理論估算的高兩個數量級。 決定了吸收信號強度的是原初氣體的溫度與輻射溫度之間的差異，研究者認為，這表明原初氣體的溫度要比科學家過去認為的還要低，而正常的氣體冷卻過程，是無法達到這麼 低的溫度的。 他們提出， 可能是暗物質與氫原子之間，除了萬有引力還存在其他相互作用。 這種相互作用帶走了更多的能量，幫助氫原子氣體迅速冷卻。
在發表於同一期《自然》的另一篇論文中，以色列特拉維夫大學的天體物理學家 Rennan Barkana 估算，要讓原初氣體冷卻到這樣低的溫度，暗物質粒子必須低於 5 倍氫原子質量。 而目前最受物理學家青睞的暗物質候選者是弱相互作用大質量粒子（WIMP），質量要比這大得多，是氫原子的幾百倍。 而針對此類粒子的搜索實驗至今一無所獲，一些物理學家已經把目光投向了其他候選者，這次的發現可能給他們更充分的理由。 Barkana 認為，這一結果表明 21cm 信號也能幫助物理學家研究暗物質的性質。
科學家希望進一步的觀測，以及其他探測宇宙早期 21cm 信號的研究，能夠確認他們的發現，並幫助我們更好地了解宇宙的黑暗時代。
原始論文：
http://nature.com/articles/doi:10.1038/nature25791 http://nature.com/articles/doi:10.1038/nature25792