圖為平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）的首臺天線(xiàn)。

 

　　宇宙中第一代星系是如何形成的？暗物質(zhì)的性質(zhì)是什么？這兩大謎團能否同時(shí)通過(guò)天文觀(guān)測進(jìn)行研究揭秘？

 

　　最近，我國天文學(xué)家提出，通過(guò)測量21厘米森林的一維功率譜，未來(lái)的平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）將能夠同時(shí)揭秘宇宙第一代星系和暗物質(zhì)的性質(zhì)。相關(guān)研究發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·天文》上。

 

　　探測21厘米森林一直面臨極大挑戰

 

　　宇宙中存在大量的中性氫氣體。這些氣體中的氫原子在基態(tài)能級超精細結構之間的躍遷，會(huì )產(chǎn)生電磁波波長(cháng)為21厘米的線(xiàn)輻射，也就是中性氫21厘米線(xiàn)。

 

　　中性氫21厘米線(xiàn)為天文學(xué)家探索宇宙提供了巨大的機遇。“中性氫21厘米線(xiàn)為探測宇宙黎明與第一代星系提供了獨一無(wú)二的手段。同時(shí)，利用中性氫21厘米譜線(xiàn)探測宇宙黎明與再電離也是平方公里陣列射電望遠鏡最重要的科學(xué)目標之一。”論文共同通訊作者、中國科學(xué)院國家天文臺研究員陳學(xué)雷說(shuō)。

 

　　同時(shí)，宇宙早期各種結構及其周?chē)臍湓託怏w會(huì )在高紅移射電點(diǎn)源的光譜上產(chǎn)生密集的21厘米吸收線(xiàn)。“這些吸收線(xiàn)叢，被天文學(xué)家形象地稱(chēng)為21厘米森林。”陳學(xué)雷說(shuō)，多年來(lái)，探測21厘米森林一直面臨極大挑戰。

 

　　“主要原因有兩方面：一是21厘米森林信號微弱，并且探測它所依賴(lài)的宇宙黎明時(shí)期的射電亮源難以獲??；二是21厘米森林信號同時(shí)受到第一代星系加熱效應和暗物質(zhì)性質(zhì)的影響，因此在觀(guān)測上我們很難區分這兩種效應。這就使得21厘米森林探測難以實(shí)際用于限制第一代星系的加熱效應或暗物質(zhì)的性質(zhì)。”論文共同通訊作者、中國科學(xué)院國家天文臺副研究員徐怡冬解釋。

 

　　近年來(lái)，已經(jīng)有一批高紅移射電噪的類(lèi)星體被發(fā)現，而且平方公里陣列射電望遠鏡也進(jìn)入了工程建設階段，開(kāi)展21厘米森林探測已迫在眉睫。

 

　　在這項研究中，我國天文學(xué)家提出了一種原創(chuàng )性的統計測量方案，使得21厘米森林不僅能夠限制宇宙第一代星系的性質(zhì)，還可以同時(shí)測量暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量。

 

　　新方法有望拓展人類(lèi)對宇宙的認知

 

　　“我們意識到由第一代星系的加熱效應和溫暗物質(zhì)引起的信號變化，在光譜上的尺度分布特征存在明顯不同。通過(guò)一維功率譜分析，我們未來(lái)可以從統計上區分這二者。”徐怡冬介紹。

 

　　“21厘米森林的一維功率譜確實(shí)可以成為一箭雙雕的宇宙學(xué)探針，它為揭開(kāi)暗物質(zhì)和第一代星系之謎提供了一種極有前景的新途徑。”論文共同通訊作者、東北大學(xué)教授張?chǎng)螐娬{。

 

　　針對此研究，加拿大圓周理論物理研究所教授凱瑟琳·麥克評論道：“這項研究提出了一種有趣的方法，能夠利用21厘米森林功率譜同時(shí)限制宇宙X射線(xiàn)對星系際介質(zhì)的加熱，以及溫暗物質(zhì)的可能效應這兩種現象。雖然以前的研究已經(jīng)檢查了21厘米森林作為星系際介質(zhì)探針的可能性，但將溫暗物質(zhì)效應作為一個(gè)獨立信號包含進(jìn)來(lái)，則為未來(lái)的觀(guān)測提供了一個(gè)新的科學(xué)目標。”

 

　　《自然·天文》的編輯團隊也針對這項研究發(fā)表了評論：“我們宇宙的最遠處總是極為神秘，由于被塵埃、吸收光的原子和中間介質(zhì)中的氣體阻擋而很難直接觀(guān)測。這項研究將吸收轉化為一種優(yōu)勢，利用它打破了其他方法所遭遇的不同效應的簡(jiǎn)并，并可用于闡明早期宇宙的結構形成。”

 

　　研究人員表示，這一突破性方法的發(fā)展對于解開(kāi)暗物質(zhì)和宇宙早期天體形成的奧秘具有重要意義，并將進(jìn)一步推動(dòng)我們對暗物質(zhì)的理解，揭示宇宙結構形成及演化的過(guò)程。通過(guò)更深入的觀(guān)測和分析，我們有望在不久的將來(lái)獲得關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)和早期星系形成的更多見(jiàn)解，進(jìn)一步拓展我們對宇宙的認知。 （記者 陸成寬）