我們對(duì)早期宇宙發(fā)生的事情仍然知之甚少。目前主流的共識(shí)是，宇宙大爆炸之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，在最早的恒星誕生之前，宇宙一直保持著中性且黑暗的狀態(tài)，也就是宇宙的黑暗時(shí)期。直到第一批恒星出現(xiàn)，宇宙才真正迎來(lái)了“黎明”。但是，宇宙黎明到來(lái)的時(shí)間仍然是個(gè)謎。

　　大爆炸會(huì)產(chǎn)生電子和質(zhì)子。隨著宇宙的膨脹和物質(zhì)的冷卻，在大爆炸約38萬(wàn)年后，電子和質(zhì)子會(huì)結(jié)合形成中性氫（即復(fù)合時(shí)期）。在引力的作用下，氫會(huì)聚集坍縮形成第一批恒星和星系，這一時(shí)期被稱(chēng)為“宇宙黎明”。| 圖片來(lái)源：NASA/WMAP Science Team； R。 Ellis（Caltech）

　　2018年，宇宙學(xué)界出現(xiàn)了一場(chǎng)不小的轟動(dòng)事件。來(lái)自EDGES的天文學(xué)家報(bào)告稱(chēng)，他們發(fā)現(xiàn)一個(gè)特定頻率的射電波比來(lái)自夜空的其他波明顯要暗得多，這被解讀為“宇宙黎明”在光譜中留下的特征，也就是大爆炸后第一批恒星誕生的突破性信號(hào)。這是許多天文學(xué)家夢(mèng)寐以求希望看到的。

　　更重要的是，觀測(cè)到的信號(hào)和理論預(yù)測(cè)有很大區(qū)別，它還引發(fā)了一系列理論活動(dòng)。與此同時(shí)，全世界的天文學(xué)家也開(kāi)始試圖檢驗(yàn)確認(rèn)這一信號(hào)。

　　近日，一組研究團(tuán)隊(duì)公布了他們最新的搜索結(jié)果。非常遺憾的是，結(jié)果是否定的，他們沒(méi)有找到之前出現(xiàn)的那種信號(hào)。團(tuán)隊(duì)已于近日將結(jié)果發(fā)表在《自然·天文學(xué)》上。

　　宇宙黎明的特征??

　　來(lái)自可觀測(cè)宇宙中最古老的恒星的光線必須經(jīng)過(guò)一百多億年的旅行才能到達(dá)地球，這太遙遠(yuǎn)了，普通的望遠(yuǎn)鏡完全無(wú)法直接觀測(cè)。為了尋找宇宙的第一縷星光，射電天文學(xué)家一直在利用射電波頻譜尋找一種間接的影響。

　　氫原子會(huì)天然地吸收并發(fā)射波長(zhǎng)21厘米的射電波。由于宇宙在不斷地膨脹，因此這些射電波在前往地球的旅途中會(huì)被拉長(zhǎng)。那些來(lái)自更遙遠(yuǎn)氫云的波，被拉伸的時(shí)間也更長(zhǎng)，所以抵達(dá)地球時(shí)的波長(zhǎng)也會(huì)變得更長(zhǎng)。這種光的拉伸為天文學(xué)家提供了一種宇宙歷史事件的時(shí)間戳記錄。

　　半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，天文學(xué)家一直在利用21厘米發(fā)射的概念來(lái)研究附近的星系。但隨著科學(xué)的發(fā)展，許多天文學(xué)家也開(kāi)始測(cè)量更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，從而尋找更古老的氫云發(fā)射。

　　當(dāng)氫原子最初形成時(shí)，它們以相同的速率吸收并發(fā)射環(huán)境21厘米輻射，因此，充斥著原始宇宙的氫云實(shí)際上是看不見(jiàn)的。隨后，宇宙黎明到來(lái)，來(lái)自第一批恒星的紫外線輻射激發(fā)了原子躍遷，使得氫原子吸收的21厘米波比它們發(fā)射的要多。

　　從地球上看，這種多出來(lái)的吸收就會(huì)在一個(gè)特定的射電波長(zhǎng)上表現(xiàn)出亮度下降，這就標(biāo)志著最早的恒星被點(diǎn)燃的時(shí)刻。隨著時(shí)間的推移，第一批恒星坍縮成黑洞。圍繞這些黑洞旋轉(zhuǎn)的高溫氣體產(chǎn)生了X射線，加熱了整個(gè)宇宙的氫云，增加了21厘米發(fā)射的速率。我們會(huì)觀測(cè)到比更古老的光的波長(zhǎng)稍短的射電波長(zhǎng)上亮度的略微上升。最終的結(jié)果便是，在一個(gè)狹窄的射電波長(zhǎng)范圍內(nèi)出現(xiàn)亮度的微小“凹陷”。

　　EDGES天線。| 圖片來(lái)源：Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation

　　2018年，研究人員在澳大利亞內(nèi)陸使用一個(gè)類(lèi)似咖啡桌的儀器，它被稱(chēng)為EDGES（檢測(cè)再電離時(shí)代的全局特征實(shí)驗(yàn)），報(bào)道了原始射電頻譜上出現(xiàn)的這樣一處凹陷。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這就是宇宙黎明的特征信號(hào)。

　　隨之而來(lái)的問(wèn)題??

　　但是EDGES的信號(hào)似乎是個(gè)“過(guò)分好”的東西了。頻譜中的凹陷比理論預(yù)測(cè)的更深、也更廣。這處凹陷出現(xiàn)在波長(zhǎng)4米左右的位置，并不是理論學(xué)家所預(yù)期的位置。如果這是真的，它說(shuō)明第一批恒星出現(xiàn)得比預(yù)想的早得多，而之后X射線很快便充斥了整個(gè)宇宙。更奇怪的是，這處凹陷非常顯著，表明早期宇宙中的氫比理論模型預(yù)測(cè)的要冷。

　　同時(shí)為了解釋這樣一個(gè)印記，理論物理學(xué)家也嘗試提出了一系列奇特的機(jī)制，例如可能存在前所未知的基本粒子，它的電荷只有電子的數(shù)千分之一。

　　但還有一些研究人員則表示對(duì)這一結(jié)果本身的疑慮。探尋宇宙黎明的射電信號(hào)的困難不言自明，來(lái)自早期宇宙的射電波會(huì)被各種各樣的信號(hào)源產(chǎn)生的噪聲所淹沒(méi)，靈敏的探測(cè)天線也會(huì)受到各種意想不到的微弱影響，從而導(dǎo)致結(jié)果偏差。用一些天文學(xué)家的話說(shuō)，在頻譜中尋找原始特征就像站在數(shù)千米外想要發(fā)現(xiàn)山頂上的樹(shù)影一樣。

　　為了排除各種問(wèn)題，EDGES團(tuán)隊(duì)在發(fā)表數(shù)據(jù)之前花費(fèi)了兩年時(shí)間進(jìn)行了反復(fù)檢查，以精確的計(jì)算排除了環(huán)境、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性等各種方面的影響。但它顯然沒(méi)能讓所有人信服。隨后，不少研究團(tuán)隊(duì)著手開(kāi)始對(duì)EDGES的發(fā)現(xiàn)展開(kāi)交叉驗(yàn)證。

　　新的實(shí)驗(yàn)??

　　來(lái)自宇宙黎明的氫21厘米發(fā)射到達(dá)地球的波長(zhǎng)為數(shù)米，這恰好在調(diào)頻廣播和電視廣播的范圍內(nèi)，排除人類(lèi)活動(dòng)的無(wú)線電頻率的干擾是探測(cè)的首要任務(wù)之一。為此，研究人員在地球上一些最偏遠(yuǎn)的角落架設(shè)了天線。

　　在這項(xiàng)新的研究中，研究團(tuán)隊(duì)采用了一種史無(wú)前例的方法，他們決定讓儀器漂浮在印度的湖面之上。這臺(tái)被稱(chēng)為SARAS（背景射電頻譜的異形天線測(cè)量）的天線呈圓錐形，這讓它對(duì)射電波的反應(yīng)更易計(jì)算，而它下面的水則意味著科學(xué)家不用處理不確定的地形結(jié)構(gòu)和射電特征，讓處理數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)環(huán)境的建模更加方便。

　　在多次嘗試后，團(tuán)隊(duì)找到了鹽度適當(dāng)?shù)暮催M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。最終，SARAS在4米波長(zhǎng)附近測(cè)量到了一個(gè)平滑的頻譜，并沒(méi)有找到之前EDGES看到的深度凹陷的跡象。有研究人員猜測(cè)，EDGES的凹陷可能來(lái)自?xún)x器誤差。

　　還沒(méi)結(jié)束??

　　雖然這一結(jié)果有些令人失望，但大多數(shù)天文學(xué)家都認(rèn)為，下定論還為時(shí)尚早?？偟膩?lái)說(shuō)，無(wú)論就儀器校準(zhǔn)還是分析手段等方面而言，EDGES和SARAS都稱(chēng)得上是極其縝密周全的實(shí)驗(yàn)，因此現(xiàn)階段簡(jiǎn)單地說(shuō)誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)都太草率了。

　　目前，仍有幾項(xiàng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行中，答案或許就在不遠(yuǎn)的未來(lái)。與其說(shuō)這一結(jié)果帶來(lái)了失望，不如說(shuō)它讓科學(xué)家更興奮了。

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