一箭雙雕！新方法同時(shí)揭秘宇宙第一代星系和暗物質(zhì)

2023-07-07 15:38:07來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)

科技日?qǐng)?bào)記者陸成寬

宇宙中第一代星系是怎樣形成的？它們?nèi)绾握樟梁诎禃r(shí)代并迎來(lái)宇宙黎明？宇宙早期的星系介質(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)家致力于解答的重大科學(xué)難題。

(資料圖片)

7月7日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·天文》在線發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于宇宙第一代星系和暗物質(zhì)研究的最新成果。我國(guó)天文學(xué)家提出了一個(gè)新穎的統(tǒng)計(jì)解決方案，通過(guò)測(cè)量21厘米森林的一維功率譜，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)。

探測(cè)到21厘米森林一直面臨極大挑戰(zhàn)

宇宙中存在大量的中性氫氣體，這些氣體中的氫原子，在基態(tài)能級(jí)超精細(xì)結(jié)構(gòu)之間的躍遷，會(huì)產(chǎn)生電磁波波長(zhǎng)為21厘米的線輻射，也就是中性氫21厘米線。

中性氫21厘米線為天文學(xué)家探索宇宙提供了巨大的機(jī)遇，是研究宇宙結(jié)構(gòu)和演化的強(qiáng)有力工具。“中性氫21厘米線為探測(cè)宇宙黎明與第一代星系提供了獨(dú)一無(wú)二的手段，同時(shí)，利用中性氫21厘米譜線探測(cè)宇宙黎明與再電離也是平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡最重要的科學(xué)目標(biāo)之一。”論文共同通訊作者、中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷說(shuō)。

事實(shí)上，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，被天文學(xué)家形象地稱為21厘米森林。”陳學(xué)雷說(shuō)，多年來(lái)，探測(cè)到21厘米森林一直面臨極大挑戰(zhàn)。

“主要原因有兩方面：一是21厘米森林信號(hào)微弱，并且探測(cè)它所依賴的宇宙黎明時(shí)期的射電亮源難以獲取；二是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，我們觀測(cè)上很難區(qū)分這兩種效應(yīng)，這就使得21厘米森林探測(cè)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加熱效應(yīng)或暗物質(zhì)的性質(zhì)。”論文共同通訊作者、中科院國(guó)家天文臺(tái)副研究員徐怡冬解釋。

在這項(xiàng)研究中，我國(guó)天文學(xué)家深入研究了過(guò)去鮮有論及的21厘米森林，并提出了一種原創(chuàng)性的統(tǒng)計(jì)測(cè)量方案，使得21厘米森林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。

近年來(lái)，已經(jīng)有一批高紅移射電噪的類(lèi)星體被發(fā)現(xiàn)，而且平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡也進(jìn)入了工程建設(shè)階段，開(kāi)展21厘米森林觀測(cè)已迫在眉睫。

解開(kāi)暗物質(zhì)和第一代星系形成奧秘的新方法

“我們意識(shí)到由第一代星系的加熱效應(yīng)和溫暗物質(zhì)引起的信號(hào)變化，在光譜上的尺度分布特征存在明顯不同，通過(guò)一維功率譜分析，未來(lái)可以從統(tǒng)計(jì)上區(qū)分這兩種效應(yīng)。”徐怡冬介紹，“而且，如果對(duì)同一段光譜的兩次測(cè)量做互相關(guān)，也能夠顯著壓低噪聲，從而提高信噪比。這也能提高21厘米森林這種弱信號(hào)的提取效率。”

模擬結(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)的尺度依賴性顯現(xiàn)出來(lái)。這使探測(cè)21厘米森林變得切實(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了一種極有前景的新途徑。”論文共同通訊作者、東北大學(xué)教授張?chǎng)螐?qiáng)調(diào)。

此次，徐怡冬和張?chǎng)芜€應(yīng)邀為《自然·天文》專門(mén)撰寫(xiě)了介紹性短文。加拿大圓周理論物理研究所教授凱瑟琳·麥克在《自然·天文》評(píng)論道：“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》的編輯團(tuán)隊(duì)也針對(duì)這項(xiàng)研究發(fā)表了評(píng)論：“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)。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。”

研究人員表示，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)我們對(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。通過(guò)更深入的觀測(cè)和分析，我們有望在不久的將來(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，進(jìn)一步拓展我們對(duì)宇宙的認(rèn)知。

（國(guó)家天文臺(tái)供圖）

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