南非卡魯沙漠的350臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡陣列越來(lái)越接近探測(cè)“宇宙黎明”——大爆炸后的恒星首次點(diǎn)燃和星系開(kāi)始綻放的時(shí)代。

在接受發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》上的一篇論文中，氫紀(jì)元再電離陣列(HERA)團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō)，它將陣列的靈敏度提高了一倍，這已經(jīng)是世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，致力于探索宇宙歷史上這個(gè)獨(dú)特的時(shí)期。

雖然他們還沒(méi)有真正探測(cè)到宇宙黑暗時(shí)代末期的無(wú)線電發(fā)射，但他們的結(jié)果確實(shí)為早期宇宙中恒星和星系的組成提供了線索。特別是，他們的數(shù)據(jù)表明，早期星系除了氫和氦之外含有很少的元素，這與我們今天的星系不同。

當(dāng)無(wú)線電天線完全在線并校準(zhǔn)時(shí)，理想情況下是今年秋天，該團(tuán)隊(duì)希望構(gòu)建電離和中性氫氣泡從大約2億年前到大爆炸后約10億年的3D地圖。這張地圖可以告訴我們?cè)缙诘暮阈呛托窍蹬c我們今天看到的恒星和星系有何不同，以及整個(gè)宇宙在青春期的樣子。

“這正朝著宇宙學(xué)中潛在的革命性技術(shù)發(fā)展。一旦你能達(dá)到你需要的靈敏度，數(shù)據(jù)中就會(huì)有很多信息，“加州大學(xué)伯克利分校天文學(xué)系的研究科學(xué)家、該論文的主要作者Joshua Dillon說(shuō)。“宇宙中大多數(shù)發(fā)光物質(zhì)的3D地圖是未來(lái)50年或更長(zhǎng)時(shí)間的目標(biāo)。

其他望遠(yuǎn)鏡也在窺視早期宇宙。新的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)現(xiàn)在已經(jīng)成像了一個(gè)星系，該星系在大爆炸中宇宙誕生后大約3.25億年就存在了。但是JWST只能看到在再電離時(shí)代形成的最亮的星系，而不是更小但數(shù)量更多的矮星系，它們的恒星加熱了星系際介質(zhì)并電離了大部分氫氣。

HERA試圖探測(cè)來(lái)自填充這些早期恒星和星系之間空間的中性氫的輻射，特別是確定氫何時(shí)停止發(fā)射或吸收無(wú)線電波，因?yàn)樗浑婋x。

HERA團(tuán)隊(duì)尚未在宇宙黑暗時(shí)代的冷氫中檢測(cè)到這些電離氫氣泡，這一事實(shí)排除了恒星在早期宇宙中如何演化的一些理論。

具體來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)顯示，最早的恒星可能在大爆炸后大約2億年形成，除了氫和氦之外，幾乎沒(méi)有其他元素。這與今天的恒星組成不同，今天的恒星具有各種所謂的金屬，這是天文學(xué)術(shù)語(yǔ)，指從鋰到鈾的元素，它們比氦重。這一發(fā)現(xiàn)與目前恒星和恒星爆炸如何產(chǎn)生大多數(shù)其他元素的模型一致。

“早期星系必須與我們今天觀察到的星系明顯不同，以便我們沒(méi)有看到信號(hào)，”HERA首席研究員，加州大學(xué)伯克利分校天文學(xué)副教授Aaron Parsons說(shuō)。“特別是，它們的X射線特性必須改變。否則，我們就會(huì)檢測(cè)到我們正在尋找的信號(hào)。

早期宇宙中恒星的原子組成決定了一旦恒星開(kāi)始形成，加熱星系際介質(zhì)所需的時(shí)間。關(guān)鍵是高能輻射，主要是X射線，由雙星產(chǎn)生，其中一顆已經(jīng)坍縮成黑洞或中子星，并逐漸吞噬它的同伴。由于重元素很少，伴星的許多質(zhì)量被吹走而不是落到黑洞上，這意味著更少的X射線和周?chē)鷧^(qū)域的熱量。

新數(shù)據(jù)符合最流行的理論，即恒星和星系在大爆炸后如何首次形成，但不符合其他理論。一年前報(bào)告的HERA數(shù)據(jù)的首次分析的初步結(jié)果表明，這些替代方案 - 特別是冷再電離 - 不太可能。

“我們的研究結(jié)果要求，即使在再電離之前，直到大爆炸后4.5億年，星系之間的氣體也必須被X射線加熱。這些可能來(lái)自雙星系統(tǒng)，其中一顆恒星正在失去伴星黑洞的質(zhì)量，“狄龍說(shuō)。“我們的研究結(jié)果表明，如果是這樣的話，這些恒星一定是非常低的'金屬量'，也就是說(shuō)，與我們的太陽(yáng)相比，除了氫和氦之外的元素很少，這是有道理的，因?yàn)槲覀冋務(wù)摰氖怯钪嬷写蠖鄶?shù)其他元素形成之前的一段時(shí)間。

再電離時(shí)代

宇宙在138億年前的大爆炸中起源產(chǎn)生了一個(gè)由能量和基本粒子組成的熱大鍋，在質(zhì)子和電子結(jié)合形成原子之前，這些大鍋冷卻了數(shù)十萬(wàn)年——主要是氫和氦。天文學(xué)家用靈敏的望遠(yuǎn)鏡觀察天空，詳細(xì)繪制了大爆炸后僅38萬(wàn)年后這一刻溫度的微弱變化 - 所謂的宇宙微波背景。

然而，除了這種殘余的熱輻射之外，早期的宇宙是黑暗的。隨著宇宙的膨脹，物質(zhì)的團(tuán)塊播種了星系和恒星，這反過(guò)來(lái)又產(chǎn)生了輻射 - 紫外線和X射線 - 加熱恒星之間的氣體。在某個(gè)時(shí)候，氫開(kāi)始電離——它失去了電子——并在中性氫內(nèi)形成氣泡，標(biāo)志著再電離時(shí)代的開(kāi)始。

為了繪制這些氣泡，HERA和其他幾個(gè)實(shí)驗(yàn)專(zhuān)注于中性氫吸收和發(fā)射的光波長(zhǎng)，但電離氫不會(huì)。它被稱(chēng)為21厘米線(頻率為1，420兆赫茲)，由超精細(xì)躍遷產(chǎn)生，在此期間電子和質(zhì)子的自旋從平行翻轉(zhuǎn)為反平行。失去唯一電子的電離氫不會(huì)吸收或發(fā)射這種射頻。

自再電離時(shí)代以來(lái)，21厘米的線因宇宙膨脹而紅移到10倍長(zhǎng)的波長(zhǎng) - 約2米或6英尺。HERA相當(dāng)簡(jiǎn)單的天線，由雞線，PVC管和電線桿構(gòu)成，直徑為14米，以便收集并將這些輻射聚焦到探測(cè)器上。

“在兩米波長(zhǎng)下，雞絲網(wǎng)是一面鏡子，”狄龍說(shuō)。“可以這么說(shuō)，所有復(fù)雜的東西都在超級(jí)計(jì)算機(jī)后端以及之后的所有數(shù)據(jù)分析中。

新的分析基于2017年和2018年對(duì)約40個(gè)天線的94個(gè)夜晚的觀測(cè) - 陣列的第一階段。去年的初步分析是基于第一階段觀察的18個(gè)晚上。

新論文的主要結(jié)果是，HERA團(tuán)隊(duì)將陣列的靈敏度提高了2.1倍，用于大爆炸后約6.5億年發(fā)出的光(紅移或波長(zhǎng)增加，為7.9)，以及大爆炸后約4.5億年發(fā)出的輻射的靈敏度為2.6倍(紅移為10.4)。

HERA團(tuán)隊(duì)繼續(xù)改進(jìn)望遠(yuǎn)鏡的校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)分析，希望看到早期宇宙中的那些氣泡，這些氣泡的強(qiáng)度約為地球附近無(wú)線電噪聲的百萬(wàn)分之一。過(guò)濾掉當(dāng)?shù)氐臒o(wú)線電噪聲以查看來(lái)自早期宇宙的輻射并不容易。

“如果是瑞士奶酪，星系就會(huì)打洞，我們正在尋找奶酪，”到目前為止，沒(méi)有成功，加州大學(xué)伯克利分校射電天文學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究天文學(xué)家David Deboer說(shuō)。

然而，狄龍擴(kuò)展了這個(gè)類(lèi)比，他指出，“我們所做的是，我們說(shuō)奶酪必須比什么都沒(méi)發(fā)生時(shí)更溫暖。如果奶酪真的很冷，事實(shí)證明，比奶酪是溫的更容易觀察到這種斑塊。

這主要排除了冷再電離理論，該理論提出了一個(gè)更冷的起點(diǎn)。相反，HERA研究人員懷疑，來(lái)自X射線雙星的X射線首先加熱了星系際介質(zhì)。

“X射線將在孔形成之前有效地加熱整個(gè)奶酪塊，”狄龍說(shuō)。“那些洞是電離的比特。

“HERA正在繼續(xù)改進(jìn)并設(shè)定越來(lái)越好的限制，”帕森斯說(shuō)。“事實(shí)上，我們能夠繼續(xù)推進(jìn)，并且我們擁有繼續(xù)為我們的望遠(yuǎn)鏡取得成果的新技術(shù)，這很棒。

HERA合作由加州大學(xué)伯克利分校領(lǐng)導(dǎo)，包括來(lái)自北美，歐洲和南非的科學(xué)家。

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