物理学家竞相再现“宇宙黎明”信号

美国加州欧文斯谷射电天文台进行了LEDA实验。图片来源：Danny C. Price

研究人员正前往地球上一些最偏远的地方——从青藏高原到南极岛屿——试图捕捉来自早期宇宙的神秘无线电信号。今年2月，天文学家宣布已经看到了宇宙中第一批恒星的亮光，这被称为宇宙黎明。

监测来自宇宙黎明（最早的恒星形成阶段）信号的国际合作项目正在进行中。人们预测，恒星在宇宙早期一旦形成，它们的紫外光便渗入原始氢气，改变氢原子中电子的激发态。该转化过程被称为中性氢21厘米谱线，它可使氢气吸收来自宇宙微波背景的光子，在无线电频谱中留下记号，该频谱可在低于200兆赫的无线电频率中观察到。

当观察小组试图在地球上少数几个相对不受无线电干扰的地方复制这些发现时，理论家们则在努力理解这个信号。美国哈佛大学天体物理学家Abraham Loeb说：“这个信号看起来不像我们预期的那样。”

在澳大利亚内陆地区，利用一组看似简单的、桌子大小的无线电天线，EDGES项目研究人员报告了最初的检测结果。这个实验测量了宇宙微波背景的长波长部分，即大爆炸后发出的嘈杂的余辉。研究人员正在寻找背景光谱的微妙下降。宇宙学家推测，这样的下降应该是由第一颗恒星发出的光引起的，这使得宇宙中的原始氢在特定的无线电波长上变得不那么透明了。这种吸收的细节应该包含关于早期星际物质和发光恒星的信息。

但这一光点的形状出人意料。美国亚利桑那州立大学天文学家Judd Bowman和同事报告在78兆赫监测到这样的一个信号。他们发现观察到的频谱宽度与预计的基本一致，但是它的振幅更大（吸收更深）。研究表明，在大爆炸后约1.5亿年里，吸收开始迅速增加，而在2亿到2.5亿年前大致保持不变，然后相对较快地消失。而吸收更深意味着在那个时期，气体比预期的要冷——可能是4开尔文而不是7开尔文。

EDGES团队花了两年时间反复检查这个特殊结果，然后才决定发表。Bowman说：“你发表论文的原因是为了让更多的人去解决一个你自己无法回答的问题。”

自那以后，研究人员已经发表了几十份预印本论文，试图解释这种异常现象。一些物理学家认为，这可能是以前未被发现的普通物质和暗物质之间的相互作用的迹象。另一些人则看到了相反的情况：可能暗示着暗物质的缺失。

由于陷入了僵局，研究人员正试图从4个大洲的偏远地区收集新数据。有些人可能会在几个月内得到第一个结果。

Bowman团队现在开始用一种新的、更小的天线进行新一轮观测。有“初步证据”表明，新天线仍然能看到原始线索。他补充说，该团队将在9月恢复观测，这时银河中心——这支无线电波段的主要外地干扰源——在澳大利亚的天空中处于有利位置。

EDGES是几个试图研究宇宙最初历史的项目之一，它的竞争对手现在也在试图重现它的结果。近日，哈佛—史密森天体物理中心的射电天文学家Lincoln Greenhill飞往加州的干旱的欧文斯谷，测试了一个改良版的大孔径实验探测黑暗时代（LEDA）。

但Greenhill 指出，EDGES的信号似乎集中在大约78兆赫的地方，所以LEDA可能已经错过了目标。（EDGES在50兆赫和100兆赫之间是敏感的。）他和合作者正在测试滤光片，以便能探测到更高的频率。Greenhill说，如果事情进展顺利，可能需要几个月收集足够的数据并进行分析。

同时，印度拉曼研究所的Ravi Subrahmanyan和同事多年来关注略高频段——110至200兆赫，并使用名为SARAS-2的球形天线。他们最初的目标是探测一种现象，这种现象发生在宇宙黎明之后很久。而在其中，星光将氢气变成了等离子体。但是在EDGES得出结果后，团队很快就建设了一个对低频敏感的天线。

Subrahmanyan团队计划5月份在距离市区100公里的地方部署新天线，那里的无线电干扰很低。后来，他们又计划把它搬到西藏高原上一个更偏远的地方。