探索宇宙黑暗时代已经终结

类别:集团新闻    发布时间:2020-06-24 02:02

根据最广为接受的宇宙学理论,宇宙中的第一批恒星是在大爆炸后几亿年后形成的。不幸的是,天文学家一直无法看到它们,因为它们恰好出现在被称为“黑暗时代”的宇宙学时期。这段时期结束于130亿年前,宇宙中充满了气体云,遮蔽了可见光和红外线。然而,天文学家已经了解到,这个时代的光可以被探测到,作为微弱的无线电信号。

正是因为这个原因,才建造了默奇森·怀德菲尔德阵列(MWA)这样的射电望远镜。利用这个阵列去年获得的数据,一个国际研究小组正在清理最精确的早期宇宙无线电数据,试图确切地看到宇宙“黑暗时代”何时结束。有了这些经过大量改进的数据,研究小组现在正在这些数据中寻找来自“黑暗时代”的无线电信号的指示器。

宇宙大爆炸的时间线,显示了什么时候和什么波长的东西变得可见。目前的宇宙学模型告诉我们,大爆炸后不久,宇宙充满了热的高密度等离子体。在这段时间里,电子和光子有规律地相互诱捕,这使得宇宙变得不透明。不到一百万年后,电子、光子的相互作用变得罕见,膨胀的宇宙变得越来越透明。

然而,那时仍然没有恒星或星系,这使得宇宙一片黑暗。在接下来的数亿年里,宇宙中充满了中性的氢(氢原子只有一个质子和一个电子,它们没有电荷)。大爆炸大约10亿年后,中性的氢原子开始聚集形成第一批恒星,由此开始了再电离时代,结束了“黑暗时代”。当第一批恒星形成时,它们发出的光和辐射将宇宙中大部分的中性氢转化为电离等离子体,这种等离子体至今仍主导着星际空间。不幸的是,分辨这种转变发生时是困难的,因为电磁辐射在可见光和红外(热)小波是根本不可见的现有仪器。在这个黑暗时代,当然没有光信号,没有可见光,我们可以研究来了解它,我们可以寻找一个特定的信号。它来自于中性的氢。我们从未测量过这个信号,但我们知道它就在那里。它很难被探测到,因为在信号发出后的130亿年间,我们的宇宙已经变得非常忙碌,充满了来自恒星、星系的其他活动,甚至我们的技术淹没了中性氢的信号。这个信号对应于氢从中性到带电荷的频率和波长。也被称为“氢线”,这一边界在无线电频谱上21厘米(1420.4兆赫兹)。

在太空中寻找这些信号是确定第一批恒星何时形成以及黑暗时代何时结束的关键,从而为天文学家提供宇宙演化的重要线索。再电离时期和在此之前的黑暗时期是理解我们宇宙特征的关键时期,比如为什么我们的一些区域充满星系而另一些区域相对空旷,物质的分布,甚至可能是暗物质和暗能量。位于澳大利亚西部的默奇森·怀德菲尔德阵列射电望远镜也是该小组寻找这些信号的主要望远镜。这个阵列由4096个偶极天线组成,可以接收低频信号,比如中性氢的电磁信号。

由于来自其他宇宙(或地球)源的电磁干扰,这些信号很难辨别。如果他们成功了,天文学家将最终有一个窗口,了解宇宙的早期。随着遍布世界各地的射电望远镜阵列变得越来越复杂,这将允许天文学家和宇宙学家测试他们的理论,关于我们的宇宙进化中的重大事件是如何以及何时发生的。我们认为这一时期宇宙的性质对第一批恒星的形成有重大影响,并推动了今天宇宙的结构特征。那个时期宇宙中物质的分布方式很可能决定了今天星系和星系团的分布方式。