物理学家竞相再现“宇宙黎明”信号

LEDA实验是由加利福尼亚的欧文山谷无线电天文台进行的。资料来源:丹尼·普莱斯

研究人员正前往地球上一些最偏远的地方——从青藏高原到南极群岛——试图捕捉来自早期宇宙的神秘无线电信号。今年2月，天文学家宣布他们已经看到了宇宙中第一批恒星的光，这被称为宇宙的黎明。

监测宇宙黎明(恒星形成的最早阶段)信号的国际合作项目正在进行中。据预测，一旦恒星在早期宇宙中形成，它们的紫外光将穿透原始氢原子，改变氢原子中电子的激发态。这种被称为21厘米氢线的转换过程，允许氢吸收来自宇宙微波背景的光子，在无线电频谱中留下痕迹，这可以在低于200兆赫的无线电频率上观察到。

当观察小组试图在地球上相对不受无线电干扰的几个地方复制这些发现时，理论家们正在试图理解这个信号。哈佛大学的天体物理学家亚伯拉罕·勒布说:“这个信号看起来不像我们预期的那样。”

在澳大利亚内陆，EDGES的研究人员用一组看似简单的桌子大小的无线电天线报告了最初的结果。这个实验测量了宇宙微波背景的长波长部分，即大爆炸后嘈杂的余辉。研究人员正在寻找背景光谱的细微变化。宇宙学家推测，这种下降应该是由第一颗恒星发出的光造成的，这使得宇宙中的原始氢在一定的无线电波长下变得不那么透明。这种吸收的细节应该包括早期星际物质和发光恒星的信息。

但是这个地方的形状出乎意料。美国亚利桑那州立大学的天文学家贾德·鲍曼和他的同事报告说，他们在78兆赫监测到了这种信号。他们发现观察到的光谱宽度与预期基本相同，但其振幅更大(吸收更深)。研究表明，在大爆炸后大约1.5亿年，吸收开始迅速增加，但在2亿至2.5亿年前保持大致相同，然后相对较快地消失。更深的吸收意味着在那个时期，气体比预期的要冷——可能是4开尔文，而不是7开尔文。

EDGES团队花了两年时间来回顾这个特殊的结果，然后决定发布它。鲍曼说:“你发表论文的原因是让更多的人解决你无法回答的问题。”

从那以后，研究人员发表了几十篇预印论文试图解释这种异常现象。一些物理学家认为，这可能是普通物质和暗物质之间相互作用的一个信号，这是以前没有发现的。其他人则持相反的观点:这可能表明没有暗物质。

由于僵局，研究人员正试图从四大洲的偏远地区收集新数据。有些人可能会在几个月内得到第一个结果。

鲍曼的团队现在正在用一个新的更小的天线开始新一轮的观察。有“初步证据”表明，新天线仍能看到原始线索。他补充说，该小组将在9月份恢复观测，那时银河中心，这个无线电波段的主要外来干扰源，在澳大利亚的天空中处于有利位置。

EDGES是试图研究宇宙原始历史的几个项目之一，它的竞争对手现在正试图复制它的结果。最近，哈佛-史密森纳天体物理中心的射电天文学家林肯·格林希尔飞往加利福尼亚干旱的欧文斯谷，测试一项改进的大口径实验，以探测黑暗时代。

然而，格林希尔指出，边缘信号似乎集中在约78兆赫，所以莱达可能错过了目标。(EDGES在50 MHz和100 MHz之间敏感。他和他的合作者正在测试滤波器，以便能检测到更高的频率。格林希尔说，如果事情进展顺利，收集足够的数据并进行分析可能需要几个月的时间。

与此同时，印度拉曼研究所的Ravi Subrahmanyan和他的同事多年来一直在关注110至200兆赫的稍高频段，并使用一种称为SARAS-2的球形天线。他们最初的目标是探测宇宙出现很久之后出现的一种现象。星光将氢转化为等离子体。然而，在EDGES得到结果后，该团队很快制造了一种对低频敏感的天线。

Subrahmanyan的团队计划在5月份在距离城市100公里的地方部署一个新的天线，那里的无线电干扰很低。后来，他们计划把它移到青藏高原上一个更偏远的地方。

南非夸祖鲁-纳塔尔大学的物理学家乔纳森·西弗斯(Jonathan Sievers)说，现在没有无线电干扰是极其罕见的，但“我们可能受到地球上最少的干扰”。这个网站位于马里恩岛，唯一到达那里的是一艘南非远洋船。由大学物理学家辛西娅·蒋领导的一个小组去年在那里建立了一个宇宙黎明实验来探测高强度的无线电波。然而，马里恩站受到了持续的风吹雨打，最近发电机出现了问题。

但是正如以色列特拉维夫大学的宇宙学家伦南·巴尔卡纳所说，“除了等待更多的观察，别无选择。”(唐毅宸编译)