穿越宇宙黎明——射電天文學如何深入探索宇宙時空

來源：光明日報

不論是光線匱乏的宇宙早期，還是第一代恆星與星系的誕生，均超出了傳統天文望遠鏡的觀測能力範圍。然而，藉助新一代射電望遠鏡陣列，這段神秘的黑暗時代或許終將顯現於我們眼前。

從宇宙微波到再電離時期

在過去的一個世紀間，科學對宇宙的理解已經達到了既深刻又精確的程度。愛因斯坦的廣義相對論提供了一個框架，能夠描述最大可觀測尺度上的時空結構，還可以解釋黑洞等緻密天體的存在及其行爲，以及引力波等新穎現象。量子力學和粒子物理學則幫助我們理解恆星如何誕生，爲何發光，怎樣在超新星爆發中結束生命，以及它們在宇宙時間跨度上豐富宇宙元素構成的方式。物理學家和天文學家已經確定了宇宙的膨脹速率、其主要組成部分的相對丰度，以及其他許多關鍵的宇宙參數，精度達到了優於幾個百分點的水平。他們還利用這些知識，重構了138億年的宇宙演化過程，精確推算出了大爆炸後十億分之一秒內的極早期宇宙物理狀態。

儘管如此，宇宙中仍然存在許多未解之謎，比如主導星系內引力的暗物質的真實本質，以及驅動宇宙加速膨脹的暗能量的根源。然而，即使暗物質、暗能量的本質尚未明確，我們也能夠以極高的精度觀測並評估它們在大尺度上的影響。

這種高精度觀測時代的到來，在一定程度上得益於我們對最古老的可觀測光線——宇宙微波背景輻射的研究。宇宙微波背景輻射是大爆炸發生約38萬年後殘留的餘暉。那時的宇宙瀰漫着高溫、緻密且不透明的電離粒子霧。隨着宇宙的膨脹和冷卻，電子與質子結合形成氫原子，隨即驅散了宇宙的迷霧，光線得以自由傳播。這些光穿過茫茫的時間與空間，如今以微弱的微波形式從整個天空向我們傳來，形成了一幅宇宙遠古時期的二維快照。無論是宇宙微波背景中的溫度漲落模式，還是星系在大尺度上的分佈特徵，都在很大程度上揭示了宇宙的諸多性質，構成了現代宇宙學理論體系的基石。

然而，在宇宙微波背景輻射那無邊無際的光輝閃過之後，宇宙陷入了一片深沉的黑暗，因爲那時還沒有恆星閃耀。這一時期被稱爲宇宙的黑暗時代，而我們最強大的望遠鏡至今仍未能窺探其深處的秘密。宇宙的黑暗時代最終被宇宙黎明所終結，瀰漫在宇宙中的中性氫原子在引力作用下逐漸聚集，點燃了第一代恆星，並形成了最初的星系。理論模型結合計算機模擬表明，恆星的出現大約需要數千萬年至一億年的時間。在此之前，唯一可能存在的發光天體是假想中的原初黑洞——它們本身雖不發光，但會被周圍熾熱的漩渦狀吸積物質所環繞。

雖然這些早期事件的確切成因和時間尚未確定，但我們可以肯定的是，第一代恆星與星系的誕生在隨後的近十億年間，引發了宇宙歷史的另一場史詩級轉變。

儘管光重新回到了宇宙，但大量殘留的原始中性氫雲團仍然抑制了光的傳播。第一批發光天體的誕生釋放出強烈的紫外線和X射線輻射，將周圍氣體加熱，使氫原子再次被分解爲電子和質子，宇宙由此進入了再電離時期。此時，原本呈電中性的普通物質再次變爲等離子態，這種狀態曾短暫存在於大爆炸後不到50萬年的、熾熱且高密度的早期宇宙中。然而經歷數億年的膨脹之後，宇宙變得極爲遼闊，這些電離物質也被大幅稀釋，分佈得極爲稀薄，對大多數波段的光線幾乎完全透明。

極限外的視野

再電離時期的主角——那些最早期的恆星、星系和黑洞的性質，至今仍然是未解之謎。因爲這些天體距離我們太過遙遠，且亮度極低，現有望遠鏡幾乎無法觀測到它們。但這種情況或許不會持續太久，韋布空間望遠鏡等新一代觀測設備有望突破這一觀測極限，將視野拓展至宇宙深處，深到幾乎難以想象的程度。由於光在宇宙中傳播需要時間，望遠鏡捕捉到的畫面實際上展現了天體過去的模樣。藉助韋布空間望遠鏡，我們得以觀測到宇宙誕生僅3.3億年後的星系，這讓我們窺見了宇宙尚處於極早期——約爲宇宙現今年齡（138億年）的2.4%時的景象。

通過觀測與理論計算，我們得以揭示年輕的宇宙，它與我們今日所處的成熟宇宙截然不同。當時的宇宙更爲稠密，但恆星形成區在空間中分佈得更加稀疏。早期星系相較於今天顯得更加緊湊，這是由於它們最初以更小、更緻密的基本結構單元，通過分層的方式逐步聚合而成。此外，早期的恆星與今天的恆星也存在顯著差異——第一代恆星幾乎完全由原始的氫和氦構成，較重的元素要到後來纔會出現，它們是在第一代恆星中通過熱核反應逐漸形成的。據推測，由於缺乏重元素的“冷卻”效應，第一代恆星的質量遠比今天的恆星大得多。其中一些恆星在其生命終結時，經歷的災變性爆炸威力遠超我們今天所見的超新星爆發。爆炸將它們內部核聚變產生的重元素灰燼拋灑到星際空間，爲後來的恆星世代提供了豐富的養料。

儘管韋布空間望遠鏡揭開了諸多宇宙奧秘，但仍無法觸及許多藏匿於深空的天文現象。它尚未明確捕捉到第一代恆星發出的光，僅能探及最早期星系中最明亮的極少數成員。同時，那些被視爲典型早期輻射源的恆星形成區與超新星爆發，因亮度遠低於探測極限而未能進入韋布空間望遠鏡的視野。展望未來，即便是鏡面直徑將達40米的新一代巨型地基望遠鏡，其集光能力恐怕也無法回溯到更深遠的時空，追溯恆星誕生的原初時刻。

令人驚歎的是，人類憑藉非凡的創造力，找到了一種能夠深入探索宇宙時空的新方法，其探測深度甚至超越了傳統巨型望遠鏡的觀測能力極限。

這項技術不再直接探測第一代恆星發出的光芒，而是通過極其靈敏的射電望遠鏡，尋找它們在周圍原始氫原子氣體（那時星際空間中充滿了這種氣體）中留下的痕跡。宇宙微波背景輻射在揭示這些深邃的宇宙奧秘中再次扮演了關鍵角色。與大爆炸後38萬年時宇宙的二維快照不同，這一新技術利用原始氫原子氣體與宇宙微波背景輻射之間的複雜對比，構建出一幅涵蓋宇宙最初十億年大部分時期的三維動態演化圖。這使天文學家有望追溯至宇宙黎明時期，見證第一代恆星、星系與黑洞如何從黑暗時代中孕育而生。

21釐米的宇宙輪廓

當宇宙微波背景輻射的光子穿越中性氫雲團時，會與氫原子中波長爲21釐米的能級躍遷發生共振，從而擾動原本平滑的微波背景黑體譜。這種細微的擾動爲我們提供了一種新的探測手段，來研究宇宙黎明和再電離時期充滿星際空間的原始氣體。

這種非傳統的宇宙測繪方法基於氫原子的一種躍遷，即質子和電子之間自旋方向相對排列發生變化的“自旋翻轉”躍遷。這一過程涉及一個頻率爲1.4吉赫茲（對應的波長爲21釐米）的射電波段光子，因此被稱爲“21釐米信號”。該躍遷表現爲兩種形式：比宇宙微波背景更冷的氫原子會吸收一個21釐米光子，從而部分阻擋宇宙微波背景輻射的傳播；而比宇宙微波背景更熱的氫原子則會發射一個21釐米光子，使背景亮度增強。射電望遠鏡可以探測並繪製這些來自中性氫的信號，它們在宇宙微波背景輻射黑體譜上表現爲微弱的擾動。

此外，氫原子所處的環境也進一步豐富了21釐米信號所承載的信息。氫原子吸收或發射21釐米光子的速率主要受氣體密度影響，同時也受到恆星和黑洞產生的背景紫外光與X射線輻射的調控。這些因素與其他物理過程共同作用，使得宇宙歷史不同階段的21釐米信號呈現出不同的強度變化和獨特的空間分佈模式。因此，21釐米信號不僅爲我們提供了窺探第一代發光天體的窗口，也成爲追蹤宇宙膨脹與結構演化的有力工具。

21釐米信號和這些物理過程間的複雜依賴關係使其成爲一種極爲重要的天體物理探針。例如，第一代恆星發出的紫外輻射會與氫原子相互作用，在21釐米信號中留下半徑約爲1億光年的“電離氣泡”印記。這種現象的發生機制在於，恆星輻射會影響氫原子中電子的自旋翻轉躍遷速率，並使其與氫原子的熱運動耦合，而氫原子的運動狀態又受到氣體溫度的支配。

與此同時，第一代黑洞也會對21釐米信號產生顯著影響：當黑洞吸積周圍物質時，其熾熱的吸積盤會釋放出高能X射線。這些高能光子加熱周圍的氣體，在氣體溫度上引發大尺度波動，而這些波動同樣會在21釐米信號的強度分佈中留下清晰的印記。

總體而言，這些效應共同勾勒出一幅豐富多彩的21釐米輻射“織錦”，細緻入微地描繪了早期宇宙。然而，這一信號最終會被星系釋放的電離輻射所淹沒，直至完全消散。隨着星系不斷增大、質量不斷增長，它們釋放出的大量紫外光子會“蒸發”掉大部分殘留的原始中性氫，並將其重新電離爲由帶電粒子組成的等離子體。由於這些帶電粒子無法發生自旋翻轉躍遷，隨着宇宙的再電離，宇宙學尺度上的21釐米信號逐步消失。然而，在一些區域裡，規模較小的21釐米輻射仍能倖存下來。這些輻射來自星系內部由稠密的中性氣體構成的庇護所中，這些區域如同孤島般被屏蔽在電離輻射之外，使得21釐米輻射可以倖存。

信號的低語

但這些充滿前景的21釐米信號真的在我們探測範圍之內嗎？我們的技術能否探測到它們？

如果我們在地球上的實驗室中放置一團具有宇宙密度的稀薄氫原子氣體雲，能否觀測到21釐米信號呢？答案是否定的。原因很簡單：單個氫原子完成一次自旋翻轉躍遷大約需要長達1000萬年的時間。幸運的是，宇宙的存在時間遠超1000萬年。在漫長的宇宙演化過程中，大量氫原子通過持續躍遷不斷釋放並增強這種微弱的信號，最終使其達到可觀測的強度。事實上，科學家已經通過觀測實驗驗證了這一點。例如，加拿大氫強度測繪實驗和南非的狐獴射電望遠鏡陣列都成功探測到了來自附近宇宙中性氫島嶼發出的21釐米信號。

21釐米光子的波長攜帶着來自第一代恆星、黑洞和早期星系的宇宙信息。然而，隨着宇宙的膨脹，這些光子的波長也被拉伸了——這就是宇宙學紅移現象。爲了探測宇宙中第一代恆星發出的信號，我們需要接收波長達到數米的無線電波。遺憾的是，這些紅移後的信號與常見的調頻廣播（FM）頻段存在部分重疊，這意味着當你聽到通過電臺傳播的流行音樂時，也在無意中掩蓋了宇宙中第一代恆星的古老低語。

即使沒有人爲的無線電干擾，觀測極其微弱的21釐米宇宙學信號仍然面臨巨大挑戰。這是因爲它被強度高出數個量級的其他天體輻射所淹沒。這些強大的輻射來自電子在銀河系及其他星系周圍和內部的強大磁場中高速運動時發出的電磁波。要探測到微弱的21釐米信號，難度就好比在刺耳的警報聲中分辨出一個人微弱的呼吸聲。然而，藉助複雜的數據分析算法，尤其是基於機器學習的技術，科學家有望突破這片由天體物理噪聲構成的屏障，成功提取出早期宇宙中原始氫原子氣體發出的微弱信號。

爲了探尋宇宙中極其微弱的21釐米信號，研究者設計了兩種主要方法。第一種方法是使用單個小型緊湊的天線，從整個天空中收集並測量信號。這類實驗被稱爲“全天總功率”測量，它們聚焦於探測宇宙歷史中的關鍵階段，如恆星形成的開端、氣體加熱過程以及再電離的發生。2018年，位於澳大利亞內陸的一臺單天線射電望遠鏡觀測項目——探測再電離時代全球信號實驗（EDGES），首次通過這種方法取得了突破性進展，成功對宇宙大爆炸後約2億年的21釐米信號進行了全天測量。

EDGES團隊報告的21釐米吸收信號比理論預期的更深，這引發了科學界的廣泛關注。產生這樣的結果有兩種可能的原因：一種是氣體溫度顯著低於理論預測，這或許暗示了普通物質與冷暗物質之間存在某種未知的相互作用；另一種可能是背景輻射強度高於宇宙微波背景輻射。後一種可能性意味着在宇宙黎明時期存在異常明亮的射電源，或者某種奇異的粒子物理機制產生了大量波長爲21釐米的光子。

隨後，另一個名爲“背景射電頻譜測量天線3”（SARAS3）的實驗項目在印度南部的一個大型湖泊上展開觀測，試圖驗證EDGES在低頻段的結果。然而，SARAS3未能重現EDGES的探測結果。由於這類觀測的難度極高，目前尚無法明確判斷哪一方的結果更爲可靠。儘管如此，科學家並未放棄對這一領域的探索。除了EDGES和SARAS團隊外，由英國劍橋大學和南非斯泰倫博斯大學共同領導的“宇宙氫分析射電實驗”等多個國際合作項目也在積極開展相關研究，努力探測再電離時期和宇宙黎明時期的全天平均21釐米信號。

與“全天總功率”測量不同，第二種方法利用一種名爲干涉儀的大型天線陣列，來探測21釐米信號的空間波動。這種方法不再關注信號在全天範圍內的整體強度，而是記錄天空中不同區域的功率差異，揭示宇宙不同歷史時期21釐米信號基於位置的變化。干涉儀的核心優勢在於其能夠提供比“全天總功率”測量更爲豐富的空間信息。例如，它可以幫助我們繪製出第一批恆星形成區域在天空中的分佈圖。通過對這些數據的分析，科學家可以更深入地瞭解早期宇宙的結構和演化。目前，多個低頻干涉儀項目正在運行，爲研究宇宙黎明和再電離時期提供了重要數據支持。它們包括：低頻陣列、再電離時期氫陣列、默奇森寬場陣列和探測黑暗時代的大孔徑實驗等。

通過觀測數據分析，科學家已經給出了宇宙黎明和再電離時期21釐米信號波動的功率譜上限。這些設備仍在持續接收來自宇宙深處的信號，爲研究積累更多數據。目前最受21釐米宇宙學界期待的項目是正在建設中的平方千米陣（SKA），它位於澳大利亞和南非。相比現有的望遠鏡，SKA的靈敏度和分辨率更高，能夠在廣泛的紅移範圍內對21釐米信號成像，從而爲早期宇宙中的中性氫生成類似於醫學斷層掃描的三維圖像。

在揭示宇宙黑暗時代的不懈探索中，科學家已將目光投向了一個可能成爲21釐米宇宙學終極觀測前沿的地點——月球背面。月球的巨大體積能夠有效屏蔽來自地球的無線電干擾。在月球遠側建造射電天線陣列的提案已有多個，這些項目可能會成爲本世紀人類重返月球計劃的重要組成部分，或將帶來重大的科學突破。在最終目睹宇宙黎明破曉之前，不確定性帶來的陰影正在逐漸消散。

瞬息萬變的21釐米信號

第一批恆星誕生之前的宇宙黑暗無光，無法用傳統望遠鏡觀測。天文學家試圖用中性氫原子發射的21釐米譜線揭開黎明前的黑暗。隨着恆星和星系的形成與演化，宇宙中的21釐米射電信號會發生顯著變化。這一信號受到多種天體物理因素的影響，包括氫原子的溫度、密度和電離狀態，同時也受到宇宙微波背景和恆星輻射的共同調製。

電離氣泡

當恆星形成區出現時，它發出的光會向外傳播，並與周圍空間中瀰漫的氣體相互作用，逐漸“雕琢”出一個泡狀結構。多種類型的光共同參與了這一過程，每種光都會根據自身的波長、強度以及氣體的密度、電荷狀態和溫度，在泡泡內部留下獨特的“印記”，形成分層結構。這些複雜的相互作用賦予了泡泡動態且多層次的特性，而這種特性可以通過21釐米信號的強度波動加以辨識。

黑暗中的微光

宇宙黑暗時代並非完全黑暗無光。來自氫的微弱無線電波使我們能夠探索宇宙的這一早期階段。

這些射電信號的來源有兩個：一是大爆炸餘暉中的光子，也就是宇宙微波背景，它們與龐大的中性氫氣雲相互作用；二是氫原子之間的碰撞。這些中性氫氣體雲中的氫原子之所以呈電中性，是因爲每個原子核（帶正電的質子）都伴隨着一個帶負電的電子。

要理解這些氫原子是如何發出21釐米輻射的，不妨先了解另一種更常見的輻射機制。該機制分爲兩個步驟：電子先被激發到更高的能級（即“激發態”），隨後又回落到低能級，並在這一過程中釋放出一個光子。

宇宙微波背景光子與原子的碰撞非常微弱，無法以常規方式激發氫原子，但仍能通過改變電子的自旋方向，使其與質子保持一致來增加能量。當電子自旋翻轉回基態時，多餘的能量會以一個波長爲21釐米的光子的形式釋放出來，該波長位於電磁波譜中的射電波段。通過這種被稱爲“自旋翻轉躍遷”的機制，氫原子得以發出射電輻射。而天文學家正是利用這一現象，繪製出宇宙黑暗時代的圖景。

（作者：阿納斯塔西婭·菲阿爾科夫 阿維·勒布 《環球科學》雜誌社供稿）