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

雖然他們還沒有真正探測到宇宙黑暗時(shí)代末期的無線電發(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早期的恒星和星系與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。“宇宙中大多數(shù)發(fā)光物質(zhì)的3D地圖是未來50年或更長時(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試圖探測來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。

具體來說，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，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，以便我們沒有看到信號，”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。“特別是，它們的X射線特性必須改變。否則，我們就會(huì)檢測到我們正在尋找的信號。

早期宇宙中恒星的原子組成決定了一旦恒星開始形成，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射線和周圍區(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。“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，與我們的太陽相比，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，這反過來又產(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)代的開始。

為了繪制這些氣泡，HERA和其他幾個(gè)實(shí)驗(yàn)專注于中性氫吸收和發(fā)射的光波長，但電離氫不會(huì)。它被稱為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，21厘米的線因宇宙膨脹而紅移到10倍長的波長 - 約2米或6英尺。HERA相當(dāng)簡單的天線，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器上。

“在兩米波長下，雞絲網(wǎng)是一面鏡子，”狄龍說。“可以這么說，所有復(fù)雜的東西都在超級計(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年對約40個(gè)天線的94個(gè)夜晚的觀測 - 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)度約為地球附近無線電噪聲的百萬分之一。過濾掉當(dāng)?shù)氐臒o線電噪聲以查看來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。

然而，狄龍擴(kuò)展了這個(gè)類比，他指出，“我們所做的是，我們說奶酪必須比什么都沒發(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。“那些洞是電離的比特。

“HERA正在繼續(xù)改進(jìn)并設(shè)定越來越好的限制，”帕森斯說。“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)，包括來自北美，歐洲和南非的科學(xué)家。