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<随心_句子c><随心_句子c><随心_句子c><随心_句子c><随心_句子c>壹(yi)箭(jian)雙(shuang)雕(diao)！新(xin)方(fang)法(fa)同(tong)時(shi)揭(jie)秘(mi)宇(yu)宙(zhou)第(di)一代(dai)星(xing)系(xi)和(he)暗(an)物(wu)質(zhi)

科(ke)技(ji)日(ri)報(bao)記(ji)者(zhe)陸(lu)成(cheng)寬(kuan)

宇宙中(zhong)第一代星系是(shi)怎(zen)樣(yang)形(xing)成的(de)？它(ta)們(men)如(ru)何(he)照(zhao)亮(liang)黑(hei)暗时代並(bing)迎(ying)來(lai)宇宙黎(li)明(ming)？宇宙早(zao)期(qi)的星系介(jie)质是如何被(bei)第一代星系電(dian)離(li)并加(jia)熱(re)的？這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)一直(zhi)是天(tian)文(wen)學(xue)家(jia)致(zhi)力(li)於(yu)解(jie)答(da)的重(zhong)大(da)科学難(nan)题。

7月(yue)7日，國(guo)際(ji)学術(shu)期刊(kan)《自(zi)然(ran)·天文》在(zai)線(xian)發(fa)表(biao)了(le)一項(xiang)關(guan)于宇宙第一代星系和暗物质研(yan)究(jiu)的最(zui)新成果(guo)。我(wo)国天文学家提(ti)出(chu)了一個(ge)新穎(ying)的統(tong)計(ji)解決(jue)方案(an)，通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)21厘(li)米(mi)森(sen)林(lin)的一維(wei)功(gong)率(lv)譜(pu)，未(wei)来的平(ping)方公(gong)裏(li)陣(zhen)列(lie)射(she)电望(wang)遠(yuan)鏡(jing)（SKA）將(jiang)能(neng)夠(gou)同时揭秘宇宙第一代星系和暗物质的性(xing)质。

探(tan)测到(dao)21厘米森林一直面(mian)臨(lin)極(ji)大挑(tiao)戰(zhan)

宇宙中存(cun)在大量的中性氫(qing)氣(qi)體(ti)，这些气体中的氢原(yuan)子(zi)，在基(ji)態(tai)能級(ji)超(chao)精(jing)細(xi)結(jie)構(gou)之(zhi)間(jian)的躍(yue)遷(qian)，會(hui)產(chan)生(sheng)电磁(ci)波(bo)波長(chang)為(wei)21厘米的线輻(fu)射，也(ye)就(jiu)是中性氢21厘米线。

中性氢21厘米线为天文学家探索(suo)宇宙提供(gong)了巨(ju)大的機(ji)遇(yu)，是研究宇宙结构和演(yan)化(hua)的強(qiang)有(you)力工(gong)具(ju)。“中性氢21厘米线为探测宇宙黎明與(yu)第一代星系提供了獨(du)一無(wu)二(er)的手(shou)段(duan)，同时，利(li)用(yong)中性氢21厘米谱线探测宇宙黎明与再(zai)电离也是平方公里阵列射电望远镜最重要(yao)的科学目(mu)標(biao)之一。”論(lun)文共(gong)同通訊(xun)作(zuo)者、中科院(yuan)国家天文臺(tai)研究員(yuan)陳(chen)学雷(lei)說(shuo)。

事(shi)實(shi)上(shang)，中性氢的21厘米信(xin)號(hao)有多(duo)種(zhong)觀(guan)测模(mo)式(shi)。常(chang)見(jian)的观测模式是以(yi)宇宙微(wei)波背(bei)景(jing)辐射为背景源(yuan)的21厘米信号测量。同时，宇宙早期各(ge)种结构及(ji)其(qi)周(zhou)圍(wei)的氢原子气体会在高(gao)紅(hong)移(yi)射电點(dian)源的光(guang)谱上产生密(mi)集(ji)的21厘米吸(xi)收(shou)线。“这些吸收线叢(cong)，被天文学家形象(xiang)地(di)稱(cheng)为21厘米森林。”陈学雷说，多年(nian)来，探测到21厘米森林一直面临极大挑战。

“主(zhu)要原因(yin)有兩(liang)方面：一是21厘米森林信号微弱(ruo)，并且(qie)探测它所(suo)依(yi)賴(lai)的宇宙黎明时期的射电亮源难以獲(huo)取(qu)；二是21厘米森林信号同时受(shou)到第一代星系加热效(xiao)應(ying)和暗物质性质的影(ying)響(xiang)，我们观测上很(hen)难區(qu)分(fen)这两种效应，这就使(shi)得(de)21厘米森林探测在提出以来的二十(shi)多年中，难以实际用于限(xian)制(zhi)第一代星系的加热效应或(huo)暗物质的性质。”论文共同通讯作者、中科院国家天文台副(fu)研究员徐(xu)怡(yi)冬(dong)解釋(shi)。

在这项研究中，我国天文学家深(shen)入(ru)研究了过去(qu)鮮(xian)有论及的21厘米森林，并提出了一种原創(chuang)性的统计测量方案，使得21厘米森林不(bu)僅(jin)能够限制宇宙第一代星系的性质，還(hai)可(ke)以同时测量暗物质粒(li)子的质量。

近(jin)年来，已(yi)經(jing)有一批(pi)高红移射电噪(zao)的類(lei)星体被发現(xian)，而(er)且平方公里阵列射电望远镜也進(jin)入了工程(cheng)建(jian)設(she)階(jie)段，開(kai)展(zhan)21厘米森林观测已迫(po)在眉(mei)睫(jie)。

解开暗物质和第一代星系形成奧(ao)秘的新方法

“我们意(yi)識(shi)到由(you)第一代星系的加热效应和溫(wen)暗物质引(yin)起(qi)的信号變(bian)化，在光谱上的尺(chi)度(du)分布(bu)特(te)征(zheng)存在明顯(xian)不同，通过一维功率谱分析(xi)，未来可以從(cong)统计上区分这两种效应。”徐怡冬介紹(shao)，“而且，如果對(dui)同一段光谱的两次(ci)测量做(zuo)互(hu)相(xiang)关，也能够显著(zhu)壓(ya)低(di)噪聲(sheng)，从而提高信噪比(bi)。这也能提高21厘米森林这种弱信号的提取效率。”

模擬(ni)结果显示(shi)，一维交(jiao)叉(cha)功率谱测量显著提高了观测的靈(ling)敏(min)度，同时，一维功率谱的幅(fu)度和形狀(zhuang)特征使得信号的尺度依赖性显现出来。这使探测21厘米森林变得切(qie)实可行(xing)，且能够同时测量暗物质粒子质量和宇宙黎明时期的热歷(li)史(shi)。

“因此(ci)，21厘米森林的一维功率谱確(que)实可以成为一箭双雕的宇宙学探針(zhen)，为揭开暗物质和第一代星系之謎(mi)提供了一种极有前(qian)景的新途(tu)徑(jing)。”论文共同通讯作者、東(dong)北(bei)大学教(jiao)授(shou)張(zhang)鑫(xin)强調(tiao)。

此次，徐怡冬和张鑫还应邀(yao)为《自然·天文》專(zhuan)門(men)撰(zhuan)寫(xie)了介绍性短(duan)文。加拿(na)大圓(yuan)周理(li)论物理研究所教授凱(kai)瑟(se)琳(lin)·麥(mai)克(ke)在《自然·天文》評(ping)论道(dao)：“这项研究提出了一种有趣(qu)的方法，利用21厘米森林功率谱同时限制两种现象：宇宙X射线对星系际介质的加热以及温暗物质的可能效应。雖(sui)然以前的研究已经檢(jian)查(zha)了21厘米森林作为星系际介质探针的可能性，但(dan)将温暗物质效应作为一个独立(li)信号包(bao)含(han)进来，則(ze)为未来的观测提供了一个新的科学目标。”

《自然·天文》的編(bian)輯(ji)團(tuan)隊(dui)也针对这项研究发表了评论：“我们宇宙的最远處(chu)總(zong)是极为神(shen)秘，由于被塵(chen)埃(ai)、吸收光的原子和中间介质中的气体阻(zu)擋(dang)而很难直接(jie)观测。这项研究将吸收轉(zhuan)化为一种優(you)勢(shi)，利用它打(da)破(po)了其他(ta)方法所遭(zao)遇的不同效应的簡(jian)并，并可用于闡(chan)明早期宇宙的结构形成。”

研究人(ren)员表示，这一突(tu)破性方法的发展对于解开暗物质和宇宙早期天体形成的奥秘具有重要意義(yi)，将进一步(bu)推(tui)動(dong)我们对暗物质的理解，揭示宇宙结构形成及演化的过程。通过更(geng)深入的观测和分析，我们有望在不久(jiu)的将来获得关于暗物质性质和早期星系形成的更多见解，进一步拓(tuo)展我们对宇宙的認(ren)知(zhi)。

（国家天文台供圖(tu)）

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