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2018-3-19

探秘宇宙再电离的曙光

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 8:10 pm

第一代恒星的形成是宇宙演化过程的一个分水岭事件。这些大质量恒星发出的强烈紫外星光穿透了原初中性氢云的迷雾,照彻周边介质,最终改变了整个宇宙的物态。这是继大爆炸的高温状态之后,宇宙中物质的又一次整体性电离,故称“再”电离。

艺术家笔下照亮周边中性介质的第一代恒星,宇宙微波背景辐射在背景中依稀可见。(图片提供:N.R.Fuller/National Science Foundation)

再电离过程并非一蹴而就,而是花费了以百万年计算的时间。在星光刚刚开始将周边氢云加热的时候,这些云团的能量条件还是与宇宙背景辐射保持一致的。在吸收了一些能量之后,部分中性氢原子的电子和质子自旋取向发生了改变,整体性地同背景脱耦,从而在超精细结构跃迁谱线的1.42 GHz(约合波长21厘米)上表现出了对背景辐射的吸收。由于宇宙学红移的存在,这一信号的频率如今已经被红移到了200 MHz以下。当然随着时间继续推移,散布在星系之间的氢云被电离殆尽,如今早已不再存在大尺度的中性氢辐射区。而理论预言的这条早期宇宙中性氢吸收线也就被视作宇宙再电离的开启信号,长久以来被人苦苦追寻。

上:21厘米中性氢辐射天空图随红移的理论演化;下:对全天取平均后的21厘米氢线辐射随红移的变化。(图片来源:http://pritchardjr.github.io/research.html

探寻昭示宇宙再电离的中性氢吸收线主要有两种方法,其一是借助干涉仪来测绘全天的高红移氢线辐射起伏,这是LOFAR、21CMA等阵列的目标;其二是利用小型望远镜遍览全天(至少是相当大的一部分天区),再对观测结果进行平均。本月初率先宣布疑似探测到78MHz吸收线的EDGES天线就属于后者。

这个EDGES是何方神圣?这是亚利桑那州立大学与麻省理工学院海斯塔克(Haystack)天文台合作的宇宙再电离信号整体探测实验,架设在澳大利亚西部的默奇森(Murchison)射电天文台——这里拥有绝佳的低频射电环境,平方千米阵的低频阵列即将在此兴建。与一般人印象中的碟形射电望远镜不同,2015年启用的EDGES主体由两块呈方形的叶片偶极子组成,它们的大小只及一张餐桌,扮演着宽带接收天线的角色。金属板周围的地面上还铺设有用于屏蔽杂波的金属板和金属网,这对于抑制系统噪声、保证带通响应平滑来说至关重要。

座落在澳大利亚西部荒野中的EDGES天线。(图片提供:LoCo Lab/ASU)

再电离氢线的探测难度来自两个方面,仪器本身的性能校准以及银河系前景连续谱辐射的扣除。观测数据校准的第一步自然是使用接收系统内置的噪声管进行定标以将原始读数转换为亮温度,但这还不算完。为了充分搞清系统的性能,EDGES团队在天线启用前即已在实验室中利用参考频谱源测量了谱型和反射系数,随后用被动热负载模拟器以及人工噪声源对结果进行了测试和验证。在观测期间,天线的反射系数等指标还要接受定期重测。这些测量结果是对噪声管定标后的数据作进一步修正的依据。

银河系前景的扣除也是一件微妙的事情。好在这种辐射的强度虽然达到了吸收线预期水平的上万倍,其频域的形态却趋于平滑。这是因为在数十到数百MHz的频段,银河前景主要来自电子的同步辐射,其辐射谱形态基本可以用流量随频率衰减的幂律函数来描述,不存在谱线那样的突变。所以研究者将完成校准和射频干扰扣除后的数据使用多项式拟合,将拟合结果视作前景辐射,并将其从数据中扣除掉。不过实际上高红移氢线的踪影是在同时拟合前景连续谱和氢线模型二者的过程中方才现身的。

数据处理过程示意。a:经过校准和去干扰操作后的数据;b:拟合并扣除前景连续谱辐射后的数据;c:拟合并扣除前景连续谱以及高红移氢线后的数据;d:获得c图所用的复原氢线模型曲线;e:图c与d之和。(图片来源:Bowman et al. 2018

由此过程发现的吸收线呈U形,中心频率在78 MHz左右,谱线半高全宽约19 MHz。这个频率对应的中性氢红移是17,在时间上符合对再电离开始年代的预期。问题在EDGES_78MHz_line于氢线的深度,如上图所示,达到了0.5开尔文左右,而且其存在性得到了不同观测时期、不同处理方法和硬件设置的认证。但根据理论的预期,这条谱线的深度应该只是这个数字的一半还不到。

在不同硬件设置条件下探测到的78 MHz吸收线,可见无论是形态还是频率都彼此吻合得很好。(图片来源:Bowman et al. 2018

鉴于已知任何天文学、大气或人工过程都不会在78 MHz的频率上产生如此稳定的吸收线,如果此次探测属实,它会为宇宙学带来不小的冲击。氢线理论上的深度是由中性氢在宇宙膨胀过程中所能降至的最低温度决定的,深度越大则最低温度越低,对其进行理论预言的基础是氢的绝热冷却。现在看来,事情可能并没有那样简单,要么氢与背景辐射的脱耦时间早于预期,要么在绝热过程之外存在其他机制让氢云进一步降温。由于前一种可能性不太被卫星观测和宇宙学模拟结果所支持,从情理上说,中性氢更有可能是通过与温度更低的物质接触才变得更冷的。

那么这种低温物质是什么?捉摸不定的暗物质是一种可能性,如果暗物质粒子的质量足够低,与重子的作用截面又足够大的话。这就转而对暗物质的参数提出了限制,并排除了包括原初黑洞蒸发、原初磁场或暗物质衰变在内的一系列非标准模型。

自然,这些推理成立的前提是EDGES测量结果的准确性。虽然团队成员为了保证这一点而做了大量的努力,但这个意义非凡的发现尚待其他仪器的独立验证。只有那时,我们才能肯定地说籍由高红移中性氢线目睹了给全宇宙二度带来光明的曙光,并以此改进现有宇宙学模型。而现在,得出任何定论都还为时尚早。

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