全球巨型望远镜阵列捕捉原始射线喜忧参半

它们可能是地球上最强大的望远镜。他们没有圆顶、巨大的镜子和可操纵的无线电接收器，只有简单的分散天线阵列，其中一些可能有一个人那么高，一些看起来像机器蜘蛛或奇异的花园家具。这些天线阵列分别位于北欧、南非和澳大利亚，并不指向特定的天空目标。相反，它们被动地接收传输的信号，并将它们传输到真正的检测工具——超级计算机。

这些设备有一个非凡的目标。当追溯到宇宙历史的开始时，他们可能看不到很多东西:只有一些非常早期的恒星和星系。它们的猎物不是分散的光点，而是分散的气体海洋，在那里发生了重大的变化。

寻找宇宙的起源

大爆炸后大约400，000年，宇宙的膨胀冷却了粒子，能量漩涡在宇宙形成之初就形成了。结果，一种主要由氢组成的黑雾出现了，宇宙的“黑暗时代”开始了。这些气体持续了数百万年，然后慢慢形成恒星和星系。

天文学家能看到的最远的星系出现在宇宙大爆炸后大约10亿年的一个充满离子化氢的宇宙中。就在光出现的时候，一些东西电离了宇宙中所有的氢。最有可能的“黑手”是早期的恒星和星系，但要做到这一点，它们必须与现在的恒星和星系完全不同:更大、更猛烈、更独特。天文学家渴望了解更多，但从130亿光年以外的散射光中收集到的信息并不多。

但是在1997年，英国天文学家马丁·里斯和他的同事皮耶罗·马多和艾弗里·梅克森建议天文学家寻找早期中性氢的信号。在氢原子中，中间的质子和外层周围的电子通常有相反的磁取向。当一些能量源向同一个方向反射它们时，原子会释放波长为21厘米的微波光子。

与中性气体不同，离子化的氢不会释放这种辐射。Rees等人认为，如果天文学家能够从宇宙“再电离期”(EoR)探测到21厘米的辐射，他们可能已经看到了电离氢的无辐射“气泡”。这些气泡的大小和分布将提供关于来源和再电离时间的信息。

天文学家开始考虑需要什么来探测这些信号。当来自EOR的21厘米辐射穿过宇宙时，宇宙膨胀会将其波长扩展到大约2米。传统的射电望远镜大多忽略了这种波长，而专门为此设计的碟形天线却非常大。但还有另一种方法:简单的天线阵列和高负载数字操作。正如加州大学伯克利分校的天体物理学家唐·巴克当时所说，“你所需要的只是回形针和超级计算机。”

“普通”观察者

现在，几个这样的望远镜正在急切地追踪EoR信号。他们希望在接下来的2年里瞥见一些东西。科学家说，21厘米的辐射将打开天体物理学和宇宙学的信息大门，这可能与宇宙微波背景辐射的研究结果相当。但是探测原始辐射信号的困难类似于听到粉丝们嘈杂欢呼声中的低语。"我们正在总结经验。"亚利桑那州立大学的贾德·鲍曼是澳大利亚莫森广域阵列(MWA)的首席科学家，他说，“我们有希望，也渴望成功。”

这些“奇异”望远镜中最大的低频阵列(LOFAR)位于荷兰北部的泥炭沼泽中。荷兰射电天文学协会的米希尔·布伦特金斯(Michiel Brentjens)是该协会的创建者和主要研究人员之一，他称该望远镜为“世界上印象最差的射电望远镜”。他是对的:LOFAR只是一个“丛林”，由数百根大约一人高的白色塑料棒组成，由钢缆固定。这些天线看起来和屋顶上的电视天线没什么不同。

LOFAR是一个干涉仪。该阵列位于泥炭沼泽的核心，有24个集群，每个集群包含850多个天线，覆盖4公里。其他14个集群分散在荷兰的其他地方，另外5个位于德国，此外，法国、瑞典和英国各有一个。宽的空间分布使干涉仪具有更好的分辨率。

但是LOFAR的立场并不理想。荷兰*承诺将该阵列的核心定位在该国北部，并提供5300万欧元用于工程建设，以推动这里的高科技基础设施建设。尽管位于沼泽地带，LOFAR仍然需要对抗附近无线电源的干扰。“无线电和电视调频信号极其重要。它们比EoR信号明显100万倍。”幸运的是，研究小组发现EoR信号的主要搜索区域约为150 MHz，这“看起来非常安静”。

另一个主阵列位于辐射较少的偏远地区。EoR精密阵列(PAPER)是贝克的杰作，位于南非干旱高原的半沙漠地区。自2009年以来，类似庭院椅的天线数量已经增加到128个。

第三个设备MWA位于澳大利亚西部珀斯以北数百公里的半干旱平原。MWA最初是LOFAR项目的一部分，但是美国的一些研究机构反对在荷兰的“嘈杂”环境中建造LOFAR。他们最终与该国分道扬镳，并决定与澳大利亚、新西兰和印度的同行合作建立自己的阵列。研究人员称，该望远镜有2048个蜘蛛状天线，“工作良好”。

迎接复杂的挑战

但从某种意义上来说，构建这些阵列只是一个简单的部分。另一位主要的LOFAR研究员、荷兰格罗宁根大学的理论家塞勒姆·扎鲁比说，天线是“旧技术”。它们没有活动的部分，所以它们不能集中在一个特殊的点上，只能接收指向它们的东西。他们需要远程超级计算机来理解这些信号，并将它们与噪音分开。

这些阵列面临的最大挑战是从相同频率的其他辐射源中选择极弱的EoR信号。在银河系中，这种频率的无线电波来自超新星遗迹、被银河系自身磁场加速的带电粒子，以及氢云中电子和粒子碰撞产生的辐射。在银河系之外，许多射电星系和星系团也发出它们自己的信号。EoR信号模型显示，其他无线电源比它亮10 ~ 10000倍。

然而，由于现有的无线电源没有图像或目录，研究小组需要标出它们。“减去所有这些背景信号后，信噪比仍然是1/10。你需要理解这些噪音，并找到量化它们的方法。”布伦特金斯说。

一旦完成，研究人员将得到一个功率谱:对天空中无线电信号如何变化的统计分析。这将解释最大的变化是发生在短距离还是长距离。研究人员还可以看到随着时间的推移再电离过程的出现。EoR可能会持续数百万年。从历史的开始到现在，21厘米的光线已经传播了很长的距离，并且比后来的光线延伸到更长的波长和更低的频率。因此，140兆赫信号可以比160兆赫信号更早形成。

当干涉仪对偏差敏感时，当宇宙处于半中性和半电离状态时，EoR中间周期也会产生最强的信号。“这些望远镜想知道两件基本的事情:EoR何时出现；它持续了多长时间？”鲍曼说，“这将使他们检测到信号时更容易阅读。”

然而，所有三种设备的研究团队都非常乐观，他们认为他们将很快瞥见EoR的第一个信号。“我们非常接近理论家预测的信号水平，我们希望更好地利用未来的数据。”德·布鲁恩说。

他希望LOFAR明年能达到“第一阶段的结论”。报纸和媒体事务部也希望如此。但鲍曼指出，这些预测都是基于EoR信号的理论模型。他承认:“如果我们在2020年前找不到它，它会让我们非常沮丧。”

此外，由于对所需的信号处理量和计算方法有许多不同的假设，“不会有尤里卡时刻(好！有办法。”布伦特金斯说。

下一代望远镜，平方公里阵列(SKA)，将瞄准从银河系到外星智能信号的一切。望远镜的主体将位于南非，但部分阵列将位于MWA的家乡。它还会收集低频辐射。由于其强大的接受能力，SKA将能够超越统计观察并生成图片。"我们将能够直接看到他们的结构，这是一个巨大的进步."扎鲁比说。(张张)

中国科学新闻(2014-120第三版国际版)