探秘宇宙起源！我天文學(xué)家發(fā)現“一箭雙雕”宇宙學(xué)探針

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人民網(wǎng)北京7月7日電 （記者趙竹青）北京時(shí)間2023年7月7日凌晨，國際學(xué)術(shù)期刊《自然·天文》在線(xiàn)發(fā)表了中國科學(xué)院國家天文臺和東北大學(xué)合作研究的一項重大成果。這項理論研究提出，利用宇宙黎明時(shí)期21厘米森林信號的一維功率譜測量，未來(lái)的平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）將能夠同時(shí)揭秘宇宙第一代星系和暗物質(zhì)的性質(zhì)。中科院國家天文臺徐怡冬副研究員、陳學(xué)雷研究員和東北大學(xué)張?chǎng)谓淌跒檎撐墓餐ㄓ嵶髡摺?/p>

宇宙中第一代星系是如何形成的？它們如何照亮黑暗時(shí)代并迎來(lái)宇宙黎明？宇宙早期的星系際介質(zhì)是如何被第一代星系電離并加熱的？這些問(wèn)題一直是天文學(xué)領(lǐng)域致力于解答的重大科學(xué)難題。中性氫的21厘米譜線(xiàn)為宇宙黎明與第一代星系提供了獨一無(wú)二的探測手段，利用21厘米譜線(xiàn)探測宇宙黎明與再電離也是平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）最重要的科學(xué)目標之一。

中性氫的21厘米信號有多種觀(guān)測模式。常見(jiàn)的觀(guān)測模式是以宇宙微波背景輻射為背景源的21厘米信號測量。同時(shí)，宇宙早期各種結構及其周?chē)臍湓託怏w會(huì )在高紅移射電點(diǎn)源的光譜上產(chǎn)生密集的21厘米吸收線(xiàn)，這些吸收線(xiàn)叢被形象地稱(chēng)為21厘米森林。由于信號微弱，且依賴(lài)于宇宙黎明時(shí)期的射電亮源的獲取，多年來(lái)21厘米森林探測面臨極大挑戰。另一方面，21厘米森林信號同時(shí)受到第一代星系加熱效應和暗物質(zhì)性質(zhì)的影響，觀(guān)測上很難區分這兩種效應，使得21厘米森林探測在提出以來(lái)的二十多年中，難以實(shí)際用于限制第一代星系的熱效應或暗物質(zhì)的性質(zhì)。

此項工作深入研究了過(guò)去鮮有論及的21厘米森林探針，并提出了一種原創(chuàng )性的統計測量方案，使之不僅能夠限制宇宙第一代星系的性質(zhì)，還可以同時(shí)測量暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量。

近年來(lái)，已有一批高紅移射電噪的類(lèi)星體被發(fā)現，而且SKA望遠鏡也已進(jìn)入工程建設階段，開(kāi)展21厘米森林觀(guān)測已迫在眉睫?！拔覀円庾R到由溫暗物質(zhì)效應和加熱效應引起的信號變化，在光譜上的尺度分布特征不同，因此通過(guò)一維功率譜分析，將可以從統計上提取關(guān)鍵特征以區分這兩種效應?！毙焘榻B說(shuō)，“而且，如果對同一段光譜的兩次測量做互相關(guān)，將能夠顯著(zhù)壓低噪聲，從而提高信噪比。這對21厘米森林這種弱信號的提取是非常關(guān)鍵的?！?/p>

模擬結果顯示，一維交叉功率譜測量顯著(zhù)提高了觀(guān)測的靈敏度，同時(shí)，一維功率譜的幅度和形狀特征使得信號的尺度依賴(lài)性被顯現出來(lái)。這使得21厘米森林變得切實(shí)可行，且能夠同時(shí)測量暗物質(zhì)粒子質(zhì)量和宇宙黎明時(shí)期的熱歷史。因此，21厘米森林的一維功率譜確實(shí)可以成為一箭雙雕的宇宙學(xué)探針，為揭開(kāi)暗物質(zhì)和第一代星系之謎提供了一種極有前景的新途徑。

徐怡冬和張?chǎng)螒麨椤蹲匀弧ぬ煳摹穼?zhuān)門(mén)撰寫(xiě)了介紹性短文。國際著(zhù)名專(zhuān)家、加拿大圓周理論物理研究所的Katherine Mack教授在《自然·天文》評論道：“這項研究提出了一種有趣的方法，利用21厘米森林功率譜同時(shí)限制兩種現象：宇宙X射線(xiàn)對星系際介質(zhì)的加熱以及溫暗物質(zhì)的可能效應。雖然以前的研究已經(jīng)檢查了21厘米森林作為星系際介質(zhì)探針的可能性，但將溫暗物質(zhì)效應作為一個(gè)獨立信號包含進(jìn)來(lái)則為未來(lái)的觀(guān)測提供了一個(gè)新的科學(xué)目標?！?/p>

《自然·天文》的編輯團隊也針對這項研究發(fā)表了評論：“我們宇宙的最遠處總是極為神秘，由于被塵埃、吸收光的原子和中間介質(zhì)中的氣體阻擋而很難直接觀(guān)測。這項研究將吸收轉化為一種優(yōu)勢，利用它打破了其他方法所遭遇的不同效應的簡(jiǎn)并，并可用于闡明早期宇宙的結構形成?！?/p>

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