南非卡鲁沙漠中由350台射电望远镜组成的阵列越来越接近探测“宇宙黎明”——大爆炸后恒星首次点燃、星系开始绽放的时代。

早期宇宙中的星系有很大不同吗

在天体物理学杂志接受发表的一篇论文中，氢时代再电离阵列(HERA)团队报告说，它已将阵列的灵敏度提高了一倍，这已经是世界上最灵敏的射电望远镜，致力于探索这个独特的时期宇宙的历史。

虽然他们还没有真正检测到宇宙黑暗时代末期的无线电发射，但他们的结果确实为早期宇宙中恒星和星系的组成提供了线索。特别是，他们的数据表明，与我们今天的星系不同，早期的星系除了氢和氦之外还含有非常少的元素。

当射电天线完全在线并校准时，最好是在今年秋天，该团队希望构建电离氢气泡和中性氢气泡的3D地图，因为它们从大约2亿年前演化到大爆炸后大约10亿年。该地图可以告诉我们早期的恒星和星系与我们今天看到的有何不同，以及整个宇宙在青春期的样子。

加州大学伯克利分校天文学系的研究科学家约书亚狄龙说：“这正在朝着宇宙学中一种潜在的革命性技术迈进。一旦你能够降低到你需要的灵敏度，数据中就会包含如此多的信息。”该论文的主要作者。“宇宙中大部分发光物质的3D地图是未来50年或更长时间的目标。”

其他望远镜也在观察早期宇宙。新的詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)现在已经拍摄到一个星系，该星系存在于大爆炸宇宙诞生约3.25亿年后。但是JWST只能看到在再电离时代形成的最亮的星系，看不到较小但数量更多的矮星系，这些矮星系的恒星加热了星际介质并电离了大部分氢气。

HERA试图检测充满早期恒星和星系之间空间的中性氢的辐射，特别是确定氢何时因电离而停止发射或吸收无线电波。

HERA团队尚未在宇宙黑暗时代的冷氢中检测到这些电离氢气泡这一事实排除了一些关于恒星在早期宇宙中如何演化的理论。

具体而言，数据表明，最早的恒星可能在大爆炸后约2亿年形成，除氢和氦外几乎不含其他元素。这与当今恒星的组成不同，后者具有多种所谓的金属，这是一种天文元素，从锂到铀，比氦重。这一发现与目前关于恒星和恒星爆炸如何产生大多数其他元素的模型是一致的。

HERA首席研究员、加州大学伯克利分校天文学副教授亚伦帕森斯说：“早期的星系必须与我们今天观察到的星系有很大不同，这样我们才能看不到信号。”“特别是，它们的X射线特性必须发生变化。否则，我们就会检测到我们正在寻找的信号。”

早期宇宙中恒星的原子组成决定了恒星开始形成后加热星际介质所需的时间。关键是双星产生的高能辐射，主要是X射线，其中一颗已经坍缩成黑洞或中子星，并逐渐吞噬它的伴星。由于几乎没有重元素，伴星的大部分质量都被吹散了，而不是落入黑洞，这意味着X射线更少，周围区域的热量也更少。

新数据符合关于恒星和星系如何在大爆炸后首次形成的最流行理论，但不符合其他理论。一年前报告的HERA数据首次分析的初步结果暗示，这些替代方案——特别是冷再电离——不太可能。

“我们的结果要求即使在再电离之前和大爆炸后4.5亿年，星系之间的气体也必须被X射线加热。这些可能来自双星系统，其中一颗恒星正在失​​去质量给伴星黑色洞，”狄龙说。“我们的结果表明，如果是这样的话，那些恒星的‘金属度’一定很低，也就是说，与我们的太阳相比，除了氢和氦之外，几乎没有其他元素，这是有道理的，因为我们谈论的是一个时期在大多数其他元素形成之前宇宙中的时间。”

再电离时代

138亿年前的宇宙大爆炸产生了一个由能量和基本粒子组成的炽热大锅，在质子和电子结合形成原子(主要是氢和氦)之前冷却了数十万年。用灵敏的望远镜观察天空，天文学家详细绘制了从这一刻开始的微弱温度变化——即所谓的宇宙微波背景——距大爆炸仅38万年。

然而，除了这种残留的热辐射，早期的宇宙是黑暗的。随着宇宙的膨胀，物质的团块在星系和恒星中播种，进而产生辐射——紫外线和X射线——加热恒星之间的气体。在某个时候，氢开始电离——它失去了电子——并在中性氢中形成气泡，标志着再电离时代的开始。

为了绘制这些气泡的地图，HERA和其他几项实验专注于中性氢吸收和发射的光波长，但电离氢不会。它被称为21厘米线(频率为1,420兆赫兹)，由超精细跃迁产生，在此期间电子和质子的自旋从平行翻转到反平行。失去唯一电子的电离氢不会吸收或发射这种射频。

自再电离时代以来，这条21厘米长的线已因宇宙膨胀而红移至波长的10倍长——约2米或6英尺。HERA的天线相当简单，由铁丝网、PVC管和电线杆构成，宽14米，用于收集辐射并将其聚焦到探测器上。

“在两米波长下，铁丝网就是一面镜子，”狄龙说。“可以说，所有复杂的东西都在超级计算机后端以及之后的所有数据分析中。”

新的分析基于2017年和2018年94个晚上的观测，大约有40个天线——阵列的第一阶段。去年的初步分析是基于18晚的第一阶段观察。

新论文的主要结果是，HERA团队将阵列的灵敏度提高了2.1倍，对于大爆炸后约6.5亿年发出的光(红移或波长增加7.9)，以及2.6倍大爆炸后约4.5亿年发出的辐射(红移10.4)。

HERA团队继续改进望远镜的校准和数据分析，希望能在早期宇宙中看到这些气泡，这些气泡的强度约为地球附近无线电噪声的百万分之一。过滤掉本地无线电噪声以查看来自早期宇宙的辐射并不容易。

加州大学伯克利分校射电天文学实验室的研究天文学家戴维德博尔说：“如果它是瑞士奶酪，星系就会钻孔，而我们正在寻找奶酪，”到目前为止，没有成功。

然而，扩展这个类比，Dillon指出，“我们所做的是，我们说奶酪一定比什么都没发生时更热。如果奶酪真的很冷，事实证明比如果奶酪是热的。”

这主要排除了冷再电离理论，该理论设定了一个更冷的起点。相反，HERA研究人员怀疑来自X射线双星的X射线首先加热了星际介质。

“在孔形成之前，X射线会有效地加热整块奶酪，”Dillon说。“那些空穴就是电离位。”

“HERA正在继续改进并设定越来越好的限制，”帕森斯说。“事实上，我们能够继续推进，而且我们拥有不断为我们的望远镜带来成果的新技术，这很棒。”

HERA合作由加州大学伯克利分校领导，包括来自北美、欧洲和南非的科学家。