宇宙如何從黑暗走向光明？暗物質(zhì)是“冷”還是“溫”？宇宙在最初的10億年經(jīng)歷了什么？這對于理解宇宙的奧秘非常重要。然而，由于宇宙的最初演化階段是一片黑暗的，要想探測到這個時期的情況無比困難，現(xiàn)有的光學(xué)和紅外望遠鏡都無能為力。那用什么來進行探測呢？氫原子的21厘米譜線幾乎是目前已知的唯一的直接探測手段。利用它，科學(xué)家可以探索宇宙最古老的樣子，拓展人類對宇宙的認知。

　　1.最初10億年，宇宙如何從黑暗走向光明

　　宇宙如何從黑暗走向光明？這對于深刻認識星系和宇宙結(jié)構(gòu)的形成和演化具有重要意義。

　　宇宙在年齡為38萬年的時候，進入了“黑暗時代”。宇宙中除了來自宇宙微波背景輻射（CMB）的光子之外，沒有其他發(fā)光天體。有的只是一片幾乎均勻的暗物質(zhì)和原子氣體，其中氣體以氫原子為主，氫約占四分之三質(zhì)量，氦約占四分之一。

　　“黑暗時代”持續(xù)了大約一億年左右。在這寂寞的一億年里，暗物質(zhì)在引力的作用下開始形成暗暈團塊，原子物質(zhì)也落入暗暈的引力勢阱中進一步結(jié)團，最終最早的一批星系在暗暈中心誕生。

　　“宇宙黎明”開始了，星系的光開始照亮宇宙。

　　隨著星系以及星系中的恒星和黑洞形成，恒星的紫外光子溢出星系，逐步電離星系際介質(zhì)中的氫原子，同時恒星和黑洞產(chǎn)生的X射線也開始對星系際介質(zhì)進行加熱。最終，在宇宙年齡接近10億年的時候，宇宙星系際介質(zhì)中的氫原子幾乎被完全電離。這一氫原子被發(fā)光天體再次電離的過程稱為“宇宙再電離”。

　　那用什么來探測宇宙最初的10億年呢？由于宇宙的最初演化階段是一片黑暗的，光學(xué)和紅外望遠鏡無能為力，要想探測到這個時期無比困難。事實上，宇宙第一代發(fā)光天體重新照亮宇宙的過程從未被人類有效探測到過。

　　目前，要想探測宇宙被第一代星系照亮的過程，氫原子的21厘米譜線幾乎是唯一的直接探測手段。利用這個工具，可以探索宇宙最古老的樣子，揭秘宇宙如何從黑暗走向光明。

　　氫原子的21厘米譜線又是什么呢？

　　氫原子可以在射電波段吸收或輻射光子，對應(yīng)光子的波長約為21厘米，因此該譜線通常被稱為“21厘米譜線”。簡單來講，在“黑暗時代”和“宇宙黎明”，氫原子氣體比宇宙微波背景更冷，它們會從微波背景中吸收21厘米光子；在“宇宙再電離”時期，氣體被加熱，氫原子會發(fā)射21厘米信號。因此，如果以CMB光子為背景光源，我們就可以對這些21厘米譜線的信號進行探測。這些21厘米譜線吸收和發(fā)射信號會幫助我們理解宇宙的早期演化歷史。

　　早期宇宙中氫原子的21厘米輻射的波長會隨著宇宙的膨脹被拉伸得更長。例如，“宇宙再電離”時期的21厘米信號的波長在今天已經(jīng)被拉伸到1.5~2.3米；“黑暗時代”對應(yīng)的21厘米信號波長已在6.5米以上。因此，我們需要用低頻射電天線來接收這些信號。

　　在“宇宙再電離”之后的時代，星系際介質(zhì)中幾乎已沒有中性氫了，但宇宙中仍然存在大量的中性氫原子，它們都藏身于星系之中。在現(xiàn)代宇宙中，星系中的中性氫仍在不斷地輻射21厘米譜線信號。如果可以用射電望遠鏡探測這些信號，那么就可以用21厘米譜線信號追蹤星系。從宇宙學(xué)的角度來看，就有了一個利用射電手段測量宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的方法。

　　中性氫原子的21厘米譜線為我們探索宇宙提供了巨大的機遇。首先，為我們打開了觀測宇宙的新窗口，讓我們能夠利用氫原子的21厘米譜線作為信號在射電波段對宇宙演化進行探測。其次，由于其在靜止系波長（或頻率）是固定的，波長的拉長程度自動就給出了源的紅移，因此利用這種譜線巡天可以有效對宇宙的演化進行斷層掃描。再次，理論上可以利用21厘米譜線對CMB形成以后的整個宇宙演化歷史進行探索。

　　也就是說，在早期宇宙探索中，以CMB光子為背景光源，可以做兩種21厘米譜線信號的觀測，一個是全天平均頻譜測量，一個是斷層掃描測量。

　　這兩種觀測方式是最主流的21厘米譜線觀測方式。當前的一些21厘米低頻探測實驗已經(jīng)開始以這兩種方式進行觀測，而且得到了一些初步的觀測數(shù)據(jù)。正在建設(shè)中的“平方公里陣列射電望遠鏡”（SKA）也準備以這樣的方式開始對“宇宙黎明”和“宇宙再電離”進行探測。

　　2.暗物質(zhì)是“冷”還是“溫”？宇宙小尺度測量是關(guān)鍵

　　宇宙的第一代星系在暗物質(zhì)暈中形成。利用21厘米譜線觀測，或許還可以幫助回答暗物質(zhì)是“冷”還是“溫”這一關(guān)鍵問題。

　　根據(jù)宇宙學(xué)的觀測，構(gòu)成我們世界的重子物質(zhì)（原子物質(zhì)）只占宇宙中總能量的5%，而暗物質(zhì)則占了27%。暗物質(zhì)的本質(zhì)，是當前基礎(chǔ)科學(xué)中最重大的科學(xué)問題之一。在當前的宇宙學(xué)中，科學(xué)家提出三種有關(guān)暗物質(zhì)的理論模型——冷暗物質(zhì)模型、熱暗物質(zhì)模型和溫暗物質(zhì)模型。

　　宇宙在“嬰兒”時期非常熾熱，各種粒子頻繁碰撞，處于“熱浴”之中。暗物質(zhì)在宇宙“嬰兒”時期也處于“熱浴”之中，但它們的碰撞截面非常小，隨著宇宙膨脹，溫度快速下降，暗物質(zhì)很快就不再參與碰撞。

　　如果暗物質(zhì)退出碰撞時，運動速度比較慢，無法達到光速，這就是冷暗物質(zhì)模型。如果其運動速度接近光速，就是熱暗物質(zhì)模型。由于熱暗物質(zhì)模型無法合理解釋宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成，因此冷暗物質(zhì)模型成為主流模型。

　　但冷暗物質(zhì)模型卻無法很好地解釋一些星系尺度上的問題——在冷暗物質(zhì)模型中，星系的密度輪廓在星系中心形成陡峭的尖峰，而這與實際觀測明顯不符；在冷暗物質(zhì)模型中，大型星系周圍存在大量的“衛(wèi)星星系”，而在實測中看到的衛(wèi)星星系數(shù)量與之相比要少得多。

　　面對這樣的情況，溫暗物質(zhì)模型應(yīng)運而生。在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成上，它也可以很好地解釋宇宙學(xué)觀測數(shù)據(jù)。由于運動速度快得多，相比于冷暗物質(zhì)模型，溫暗物質(zhì)模型可以在一定程度上“抹平”一些小尺度結(jié)構(gòu)，從而彌補冷暗物質(zhì)模型的不足。

　　但暗物質(zhì)到底是“冷”還是“溫”？要想弄清楚這一點，關(guān)鍵是要精確測量宇宙小尺度上的結(jié)構(gòu)，可這是極其困難的。目前只有少數(shù)幾種觀測方法——如強引力透鏡觀測、賴曼—阿爾法森林觀測、銀河系衛(wèi)星星系觀測等，不過這些方法也都有局限性，目前尚不能從根本上解答問題。

　　不過，還有一種有趣的探測方法——“21厘米森林”觀測。當背景源為射電噪類星體、伽馬射線暴的射電余暉等高紅移射電亮的點源時，它們發(fā)出的光被其路徑上更冷的中性氫原子氣體云團在21厘米波長上吸收，那么在源的光譜上就會形成一系列密集的21厘米吸收線，這些森林狀的吸收線被形象地稱為“21厘米森林”。它對于小暗暈的尺度很敏感，提供了在宇宙黎明時期探測小至幾千秒差距尺度的獨一無二的手段。

　　如果能夠探測到這樣的21厘米吸收線，那么通過對吸收暗線的計數(shù)，就可以對暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量進行限制，從而回答暗物質(zhì)到底是冷還是溫這一基本問題。

　　與此同時，“21厘米森林”信號隨氣體溫度升高而減弱。實際上，宇宙早期的加熱歷史也是天體物理和宇宙學(xué)中一個基本且未解決的問題，它與第一代星系的形成有直接的聯(lián)系。如果“21厘米森林”信號是可以被探測到的，那么它本身也會成為宇宙加熱歷史的絕佳探針。

　　然而，早期宇宙結(jié)構(gòu)形成的加熱效應(yīng)會輕易抑制“21厘米森林”信號，使探測變得非常具有挑戰(zhàn)性——信號對溫度很敏感，一旦加熱比較嚴重，信號就會很容易被埋葬到噪聲中，以致于很難測到。

　　更棘手的是，暗物質(zhì)的性質(zhì)和“宇宙黎明”的加熱過程同時影響信號，二者的效應(yīng)難以區(qū)分。因此，我們面對著雙重的難題，一是弱信號如何提取的問題，二是暗物質(zhì)效應(yīng)與宇宙加熱效應(yīng)難以區(qū)分的問題。

　　該如何來破解這些技術(shù)難題呢？有科學(xué)家提出用增加觀測時間的方法來解決弱信號提取問題。這是因為，對于明亮的高紅移類星體，觀測時間增加到1000小時，非常弱的信號也有可能被提取出來。

　　即便有諸多優(yōu)點和不可替代性，“21厘米森林”也是一個非常冷門的宇宙學(xué)探針?，F(xiàn)實中根本不可能有任何射電望遠鏡會給這樣一個觀測項目如此多的觀測時間。這也是為何這一方法被提出20年來還沒有付諸實施的主要原因。

　　3.一石二鳥，我國科學(xué)家提出“21厘米森林”觀測新方法

　　不過，東北大學(xué)和國家天文臺的聯(lián)合研究組最近在《自然-天文》發(fā)表了一項重要成果，解決了“21厘米森林”方法面對的難題，使得這項觀測有潛力同時測量暗物質(zhì)粒子質(zhì)量和宇宙黎明的加熱歷史，從而幫助闡明暗物質(zhì)的本質(zhì)和宇宙第一批星系的性質(zhì)。

　　這項研究提出了一個新穎的統(tǒng)計解決方案，通過測量“21厘米森林”的一維功率譜來同時解決弱信號提取問題和簡并問題。

　　在頻率空間中，宇宙加熱很容易使信號幅度降低而被埋葬到噪聲中難以探測。但是，信號和噪聲的尺度依賴性是完全不同的，噪聲在不同尺度上沒什么差別，而信號代表著不同尺度的結(jié)團情況，二者區(qū)別明顯。

　　因此，如果實施統(tǒng)計分析，把時間頻率測量轉(zhuǎn)換為空間頻率測量，那么在新的空間中信噪比即可顯著提升，而信號的統(tǒng)計特征也可隨之浮現(xiàn)。

　　特別是暗物質(zhì)效應(yīng)和宇宙加熱效應(yīng)對“21厘米森林”統(tǒng)計特征的影響是完全不同的，如此一來，就可以通過該分析同時測量這兩種效應(yīng)。

　　我們借助高動態(tài)范圍的跨尺度建模，模擬了“21厘米森林”的觀測，從而進一步利用模擬數(shù)據(jù)開展貼近實際觀測的數(shù)據(jù)分析研究。假設(shè)一個合理的觀測時間，例如100小時，將觀測時間分成兩半，兩次測量的結(jié)果做交叉相關(guān)。對于信號來說，這就是自相關(guān)測量，而對于噪聲來說，交叉相關(guān)將可對其進行抑制。這樣的測量方法極大地提升了探測的靈敏度。

　　模擬測量的結(jié)果表明，通過一維功率譜的幅度和形狀，將可以同時對溫暗物質(zhì)和宇宙加熱效應(yīng)進行測量。在宇宙加熱程度不高的情況下，第一階段的SKA低頻陣將可以很好地測量到一維功率譜，而且有能力探測至較小的尺度；在宇宙加熱程度較高的情況下，如果有多個背景射電源可用，則用第二階段的SKA低頻陣仍可實現(xiàn)較好的探測。

　　測量“21厘米森林”的一維功率譜不僅可提高靈敏度，從而使探測成為可能，還提供了區(qū)分暗物質(zhì)效應(yīng)和早期宇宙加熱效應(yīng)的方法——對于暗物質(zhì)粒子質(zhì)量的限制，“21厘米森林”在高紅移處提供了一種可行的探測手段，探索了其他觀測無法觸及的尺度和紅移范圍。通過測量宇宙加熱水平，“21厘米森林”提供了限制第一代星系和第一批黑洞特性的方法，從而幫助揭示宇宙中第一批發(fā)光天體的性質(zhì)。

　　這項研究清晰地展示了“21厘米森林”的一維功率譜確實可以成為一石二鳥的宇宙學(xué)探針，幫助推進我們對早期宇宙的理解，并為窺探暗物質(zhì)和第一代星系的奧秘提供了極有前景的新途徑。

　　由于“21厘米森林”探測的實現(xiàn)與高紅移背景射電源的觀測密切相關(guān)，因此下一步是繼續(xù)發(fā)展和建設(shè)大型射電望遠鏡（如SKA），以提供足夠的靈敏度和角分辨率來觀測高紅移的射電亮源。

　　這一方法的發(fā)展對于解開暗物質(zhì)和宇宙早期天體形成的奧秘具有重要意義，通過更深入的觀測和分析，我們有望在不久的將來獲得關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)和早期星系形成的更多見解，進一步拓展對宇宙的認知。

　　（作者：徐怡冬 張鑫，分別系中國科學(xué)院國家天文臺副研究員、東北大學(xué)教授）