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探索黑暗时代和宇宙黎明

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  近日,美国 EDGES 实验团队在《自然》杂志上发表论文,宣称探测到了宇宙黎明产生的21 cm 吸收谱信号。虽然这一观测结果还有待进一步证实,但也引起了全世界天文学家们的广泛兴趣。恰在此时,中国科学院“空间科学”先导专项也于2018-07-20启动了超长波天文观测阵列背景型号项目研究,有望首次揭开超长波天空的神秘面纱,并探索黑暗时代和宇宙黎明。

  宇宙黑暗时代是在大爆炸结束(宇宙年龄38万年)到第一代恒星形成之前的时期,这一时期的宇宙中还没有恒星、星系等发光天体,甚至今天宇宙中的许多重元素如碳、氧、铁等也都还不存在,只有氢原子和氦原子弥漫在空间中。此后在万有引力的作用下,经过几千万年到几亿年的演化,才开始形成第一代恒星和星系,发出第一缕曙光,宇宙迎来了黎明。此后形成越来越多的恒星、星系和类星体,它们的辐射最终将宇宙气体电离(宇宙再电离),演化为今日的宇宙。关于宇宙的这一段演化,探测非常困难,我们目前还所知极少,《科学》杂志将此列为全世界最前沿的125个科学问题之一。

  

  图1. 宇宙历史

  黑暗时代和宇宙黎明的主要可观测信号是宇宙中大量分布的氢原子所发射或吸收的波长为21厘米的电磁辐射(简称为21 cm 辐射)。随着宇宙膨胀,这些辐射的波长也随之红移变长。通过对各个不同波长的21 cm 辐射进行测量,就可以获得不同距离上氢原子分布,从而绘制出宇宙的三维图像。

  不过,和银河系等离我们较近的天体产生的辐射相比,这些遥远宇宙的21 cm 信号非常微弱,探测有相当的难度。尽管如此,由于其巨大的科学价值,目前国际上已有许多实验计划尝试对其进行探测,如荷兰等欧洲国家研制的 LOFAR 望远镜,澳大利亚的 MWA 望远镜,美国的 LWA 望远镜,以及美国和南非正在联合研制的 HERA 望远镜。

  

  图2. 几个探测宇宙再电离21cm信号的阵列:21CMA(中国),LOFAR(荷兰),LWA(美国),MWA(澳大利亚)

  我国也研制了21CMA阵列对其进行探测,口径500米的世界最大单天线望远镜——“中国天眼” FAST 也计划进行探测实验。此外,由包括中国在内的多个国家联合研制的世界最大射电望远镜阵列平方千米阵(SKA)也把宇宙再电离的成像观测作为其最重要的科学目标。

  以上这些实验主要在地面进行,用于探测宇宙的“清晨”——宇宙再电离。但是,宇宙的“黑暗时代”和“黎明时代”距离我们更遥远,红移更高,原来的21 cm 辐射已经变成波长很长的电波了,故此将其称为超长波。

  由于地球大气电离层对超长波有强烈的折射和吸收作用,且这一频段地球上也有大量人工和自然产生的电磁辐射,经电离层反射后在大范围内传播,因此在地面上非常难以观测,目前频率30 MHz 以下波段缺乏高质量的天文观测,其中10 MHz 以下几乎还是空白,30 MHz - 120 MHz 的观测精度也受到一定影响。

  要进行这一频段观测,最好是在太空进行。不过,即便在太空,地球也会对周围的空间产生巨大影响。幸运的是,地球的天然卫星——月球可以帮助遮挡来自地球的干扰电波,因此正如全国政协委员、中国科学院国家空间科学中心吴季研究员所说的,“最好的办法就是到月球背面,在非常安静的电磁环境中去倾听。”

  多年来,我国科学家一直关注着这一前沿领域。2003年,时在美国的陈学雷博士和 Jordi Miralda-Escude 教授首次预言了 EDGES 实验所寻找的宇宙黎明信号--21 cm 的强吸收谱。2005年,提出了用绕月卫星进行低频射电观测宇宙黑暗时代的设想。2007年,国家天文台开展了空间甚低频射电天文观测的关键技术研究。2014年,中欧联合团队提出了 DSL 计划,对超长波天文观测阵列方案开展了系统研究。在即将进行的嫦娥4号任务中,也将搭载低频射电试验项目,对超长波阵列部分关键技术进行验证。

  2018年,中国科学院空间科学先导专项(二期)瞄准重大基础科学前沿,遴选出了可能实现重大突破的方向,宇宙黑暗时代探测便是其中之一,超长波天文观测阵列项目应运而生,将围绕首次获取超长波段高分辨率天空图像、精密测量全天射电频谱,探索宇宙黑暗时代和黎明、发现和研究低频射电源、研究银河系星际介质、太阳和系内行星射电活动等科学目标开展研究。

  由于超长波的电波波长为几米到几百米,而卫星上能够安装的接收天线尺寸有限,方向性不好,单靠一个天线难以精确测量超长波的辐射方向。这有点类似人的耳朵而不是眼睛(人耳听到的声波一般波长为几十到几百厘米,而耳朵外廓只有几厘米),单凭一只耳朵难以分辨传来声音的方向。不过,凭借两只耳朵,我们已可大致分辨声音的方向。同样,如果有多个天线接收信号,可以根据不同天线信号的“干涉测量”得到它们收到信号的时间差,进而精确分辨不同方向传来的电波强度。

  超长波天文观测阵列计划由若干颗环绕月球编队飞行的卫星组成,包括一颗主星和若干子星,每颗子星上装有接收机,将收到的信号发给主星。主星一方面负责测量出每颗子星的相对位置,一方面对收到的数据进行处理,并将结果保存在星上。当各星都处在月球背面、地球的干扰被遮蔽时开机进行观测,而当绕到月球正面时则将保存的数据传回地球。

  

  图3:超长波天文阵列由若干环绕月球编队飞行的卫星组成

  根据这些数据,可以绘制出超长波波段天空的天图,从而首次揭开这一频段的神秘面纱。同时,也可以进行高精度的全天平均频谱测量,探测宇宙黑暗时代和宇宙黎明的信号。

  虽然国际上已有很多天文卫星,但天文空间观测阵列尚属首次,有很多关键技术亟待解决。在背景型号研究期间,项目组将开展科学目标凝炼、总体方案设计、关键技术攻关、原理样机研制以及地面试验验证等工作,为未来的工程立项做好充分准备。这将使我国在超长波射电研究领域跨出具有划时代意义的世界第一步,有望成为由中国引领的重大国际科学计划,取得突破性的重大科学发现,为我们揭晓波澜壮阔的宇宙演化背后最基本的物理规律。

  该项目团队成员主要来自中科院国家天文台、国家空间科学中心等单位,项目负责人为国家天文台陈学雷研究员。

  来源:中国科学院国家天文台

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