“21厘米森林”信號(hào)天文觀測(cè)藝術(shù)想像圖。中科院國(guó)家天文臺(tái) 供圖

(資料圖)

中新網(wǎng)北京7月7日電 宇宙中第一代星系是如何形成的？暗物質(zhì)的性質(zhì)是什么？這兩大謎團(tuán)能否同時(shí)通過(guò)天文觀測(cè)進(jìn)行研究揭秘？

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)7日向媒體發(fā)布消息說(shuō)，中國(guó)天文學(xué)家最新研究提出“一箭雙雕”的新方法——利用宇宙黎明時(shí)期被形象稱為“21厘米森林”信號(hào)的一維功率譜測(cè)量，未來(lái)的平方公里陣列射電望遠(yuǎn)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)。

這項(xiàng)天文領(lǐng)域的重大理論研究突破由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、東北大學(xué)合作完成，成果論文于北京時(shí)間7月6日夜間在國(guó)際專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)期刊《自然-天文》(Nature Astronomy)在線發(fā)表。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)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>

模擬得到的“21厘米森林”一維功率譜?！≈锌圃簢?guó)家天文臺(tái) 供圖

什么是“21厘米森林”信號(hào)？

研究團(tuán)隊(duì)介紹說(shuō)，中性氫的21厘米譜線為宇宙黎明與第一代星系提供了獨(dú)一無(wú)二的探測(cè)手段，利用21厘米譜線探測(cè)宇宙黎明與再電離也是SKA最重要的科學(xué)目標(biāo)之一。

中性氫的21厘米信號(hào)有多種觀測(cè)模式，常見(jiàn)的觀測(cè)模式是以宇宙微波背景輻射為背景源的21厘米信號(hào)測(cè)量。同時(shí)，宇宙早期各種結(jié)構(gòu)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，這些吸收線叢被形象稱為“21厘米森林”，由于其信號(hào)微弱，且依賴于宇宙黎明時(shí)期的射電亮源的獲取，多年來(lái)“21厘米森林”探測(cè)面臨極大挑戰(zhàn)。

另一方面，“21厘米森林”信號(hào)同時(shí)受到第一代星系加熱效應(yīng)和暗物質(zhì)性質(zhì)的影響，觀測(cè)上很難區(qū)分這兩種效應(yīng)，使得“21厘米森林”信號(hào)探測(cè)在提出以來(lái)的20多年中，難以實(shí)際用于限制第一代星系的熱效應(yīng)或暗物質(zhì)的性質(zhì)。

“21厘米森林”信號(hào)示意圖(左圖)和模擬得到的不同加熱率(fX)下的宇宙黎明“21厘米森林”信號(hào)。中科院國(guó)家天文臺(tái) 供圖

新方法如何實(shí)現(xiàn)“一箭雙雕”？

研究團(tuán)隊(duì)表示，他們此次對(duì)過(guò)去鮮有論及的“21厘米森林”探針開(kāi)展深入研究，并提出一種原創(chuàng)性的統(tǒng)計(jì)測(cè)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(cè)量暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量。

徐怡冬稱，近年來(lái)，已有一批高紅移射電噪的類(lèi)星體被發(fā)現(xiàn)，而且SKA也已進(jìn)入工程建設(shè)階段，開(kāi)展“21厘米森林”觀測(cè)已迫在眉睫?！拔覀円庾R(shí)到由溫暗物質(zhì)效應(yīng)和加熱效應(yīng)引起的信號(hào)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(tǒng)計(jì)上提取關(guān)鍵特征以區(qū)分這兩種效應(yīng)。”她說(shuō)，“而且，如果對(duì)同一段光譜的兩次測(cè)量做互相關(guān)，將能夠顯著壓低噪聲，從而提高信噪比。這對(duì)‘21厘米森林’這種弱信號(hào)的提取是非常關(guān)鍵的”。

模擬研究結(jié)果顯示，一維交叉功率譜測(cè)量顯著提高了觀測(cè)的靈敏度，同時(shí)，一維功率譜的幅度和形狀特征使得信號(hào)的尺度依賴性被顯現(xiàn)出來(lái)，這使得“21厘米森林”觀測(cè)變得切實(shí)可行，且能夠同時(shí)測(cè)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一種極有前景的新途徑。

最新研究成果有何意義與影響？

國(guó)際著名天文學(xué)家、加拿大圓周理論物理研究所Katherine Mack教授在同期《自然·天文》撰文評(píng)論指出，中國(guó)天文學(xué)家這項(xiàng)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(xiàn)象：宇宙X射線對(duì)星系際介質(zhì)的加熱以及溫暗物質(zhì)的可能效應(yīng)。“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(yīng)作為一個(gè)獨(dú)立信號(hào)包含進(jìn)來(lái)則為未來(lái)的觀測(cè)提供了一個(gè)新的科學(xué)目標(biāo)”。

《自然-天文》編輯團(tuán)隊(duì)也發(fā)表評(píng)論說(shuō)，“我們宇宙的最遠(yuǎn)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測(cè)”。中國(guó)天文學(xué)家發(fā)表的這項(xiàng)研究將吸收轉(zhuǎn)化為一種優(yōu)勢(shì)，利用它打破了其他方法所遭遇的不同效應(yīng)的簡(jiǎn)并，并可用于闡明早期宇宙的結(jié)構(gòu)形成。

研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)認(rèn)為，利用“21厘米森林”信號(hào)實(shí)現(xiàn)“一箭雙雕”天文觀測(cè)研究這一突破性方法的發(fā)展，對(duì)于解開(kāi)暗物質(zhì)和宇宙早期天體形成的奧秘具有重要意義，將進(jìn)一步推動(dòng)人們對(duì)暗物質(zhì)的理解，揭示宇宙結(jié)構(gòu)形成及演化的過(guò)程。后續(xù)通過(guò)更深入的觀測(cè)和分析，天文學(xué)家有望在不久的將來(lái)獲得關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)和早期星系形成的更多見(jiàn)解，從而持續(xù)拓展對(duì)宇宙的認(rèn)知。