宇宙何时开始有星星？科学家在一台收音机中听到答案

宇宙从什么时候开始有星星了？这是最令人困惑的问题之一。北京时间凌晨2点，《自然》杂志上发表的两篇论文揭示了这个问题的答案:大爆炸后1.8亿年。

值得一提的是，美国亚利桑那大学和麻省理工学院的科学家使用的探测设备是一个冰箱大小的无线电天线，其基本工作原理与调频收音机非常相似。

然而，这种“无线电”需要尽可能精确和均匀地接收不同频带的无线电波。它有多准确？美国自然科学基金会(NSF)的彼得·克鲁琴斯基是该项目的负责人，他说:“噪音比信号大1000倍——就像听到一只蜂鸟在飓风中拍打翅膀。”

此外，科学家还意外地发现，当时的宇宙比计算预测的要冷得多。这可能是神秘暗物质参与的结果。

被恒星“吃掉”的宇宙微波背景

要找到最早的恒星，我们必须从宇宙的早期演化开始。

宇宙在早期充满了各种各样的基本粒子，处于混乱的等离子状态。直到大爆炸后大约380，000年，质子和电子结合成稳定的中性氢原子，宇宙才变得透明，光子能够*传播。

这组古老的光子在旅行了大约137亿年后到达了地球。他们见证了137亿年间宇宙的转变和恒星的诞生与死亡，形成了宇宙微波背景辐射。宇宙过去的许多秘密都写在这本无言的天书里。

宇宙的进化

恒星的诞生就是其中之一。在重力的作用下，中性氢原子气体最密集的区域开始进一步聚集，最终坍缩形成恒星。

恒星发出的紫外线会影响周围的氢原子气体，并改变氢原子的激发态。在这个过程中，氢原子吸收来自宇宙微波背景的波长为21厘米、频率为1420兆赫的特征辐射，也就是说，它们“吃掉”一些特定的光子。

恒星的诞生因此在宇宙微波背景中留下了足迹，但是我们要去哪里寻找这个足迹呢？

那时，1420兆赫的辐射，在经历了上亿年的“红移”效应后，到达地球时将变成大约100兆赫的辐射。

如果上述推理是正确的，科学家应该能够发现，在宇宙微波背景下，100兆赫左右的一些辐射已经被“吃掉”。

大爆炸后1.8亿年

虽然方向很清楚，但要找到这个信号并不容易。除了来自银河系的无线电信号，地球本身也是一个巨大的噪声场，大约100兆赫也与人类常用的无线电频带重叠。

“听到蜂鸟在飓风中拍打翅膀”的比喻并不夸张。

经过多年的拆除、重建和校准，一个像冰箱一样小的设备从烤箱里出来了。麻省理工学院的Haystack天文台设计并制造了天线和接收器，而亚利桑那大学的地球和空间探索研究所为接收器增加了自动天线反馈测量系统。

无线电信号到达天线，由接收器增强，然后由计算机进行数字记录。它的基本原理与调频收音机和电视接收机没有本质区别。

该实验位于澳大利亚西部的一个沙漠地区，远离人类信号的干扰。然而，无线电启动后，先前理论模型的偏差导致研究团队绕道而行。

起初，他们把收音机调到100兆赫到200兆赫波段，但一无所获。他们意识到理论模型预测氢原子气体比周围的介质更热。如果氢原子气体实际上冷得多，氢原子将在50兆赫至100兆赫的频率范围内产生强烈的吸收。

"当我们把系统调到这个较低的频段后，我们立即发现了一个可疑的信号."论文作者之一、干草堆天文台的科学家艾伦·罗杰斯说。

具体来说，科学家发现无线电信号在大约78兆赫有轻微的衰减。78 MHz相当于大爆炸后约1.8亿年，大爆炸是这颗恒星最早的生日。

这是干涉仪未能实现的结果，干涉仪有许多天线，数据复杂，耗时长。这也是哈勃望远镜没能看到的线索。

该论文的第一作者、亚利桑那大学的贾德·鲍曼说:“我们一生中不可能看到任何更早的恒星。这个项目展示了令人信服的新技术，并为未来几十年天体物理学的新发现奠定了基础。”

神秘的暗物质

此外，早期氢原子气体本身出乎意料的低温可能是一个重要的发现。根据这次调查的结果，氢原子气体比绝对零度高大约2度，比先前的理论预期低一半。

一些科学家指出，这可能是我们所知的暗物质和重子相互作用的结果。根据信号计算，暗物质粒子的质量不超过质子质量的几倍。

“如果这个猜想得到证实，”鲍曼说，“那么我们将对占宇宙物质85%的神秘暗物质有一个全新的基本认识，我们将对标准模型之外的物理学有一个初步的了解。”