科學家首次捕捉到宇宙“第一縷曙光”-SAKAI BBS 社區
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科學家首次捕捉到宇宙“第一縷曙光”

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    發表於 2018-7-16 16:31:57 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
    天文學家探測到了宇宙再電離階段氫原子發出的21cm射電信號。

    科學家首次捕捉到宇宙“第一縷曙光”

    宇宙中第一顆恆星的藝術圖。繪圖︰N.R. Fuller,美國國家科學基金會

    在最新的《自然》期刊中,美國科學家成功捕捉到了再電離期間的21厘米中性氫原子信號,探測到了宇宙的“第一縷曙光”。這意味著天文學對宇宙“黑暗時代”的研討,掀開了一個新的篇章。而他們發現信號中的異常之處,還能夠有助于科學家分析暗物資的性質。

    現在,盡管還有些關鍵題目沒有答案,但假如說我們對宇宙已經有了相當的了解,也不算夸大其辭。我們曉得宇宙源于大爆炸,曉得現在宇宙中的物資結成了星系和星系團等結構,甚至也曉得最初均勻分布的物資是怎樣演變成這樣的結構的,還曉得在這背後有暗物資和暗能量在發揮感化(遺憾的是,這兩者究竟是什麼還是未解之謎)。

    這樣的光輝成就,在很洪流平上得益于天文觀察手段的進步。越來越強大的千里鏡讓天文學家在空間上觀察到了加倍悠遠的天體,在時候上追溯回更深遠的曩昔。例如,哈勃千里鏡已經觀察間隔我們320億光年的星系,它存在于約134億年前,宇宙誕生4億年後。此外,經過源于大爆炸後僅38萬年的微波佈景輻射,天文學家甚至還可以窺測到更早期的宇宙。不外,在最悠遠、最陳腐的星系,與微波佈景輻射之間,存在一個天文觀察一度沒法觸及的空缺地區。而這個空缺階段,又是天文學家很是感愛好,對了解宇宙演變全進程很是關鍵的階段。

    科學家首次捕捉到宇宙“第一縷曙光”

    宇宙演變的時候線。該研討確認,最早的恆星誕生時候不晚于大爆炸後1.8億年。繪圖︰N.R. Fuller,美國國家科學基金會

    宇宙的黑暗時代

    在大爆炸中誕生的宇宙溫度曾很是高,光子不竭與電子踫撞,使其沒法和原子核穩定連繫,此時的宇宙是一團原子核、電子和光子混雜在一路的濃湯,是完全不通明的。而宇宙隨著收縮而不竭冷卻,當溫度下降到原子核可以與電子連繫為穩定的原子,光子中束縛出來,成為了微波佈景輻射,宇宙也變得通明了。在這以後,宇宙中只要氫原子(還有一些氦原子)組成的氣體,溫度也已經冷卻得很是低。在全部宇宙中,一絲可見光都沒有,是以天文學家把這個階段稱為“宇宙的黑暗時代”。

    按照今朝的宇宙演變理論,以後又過了數億年,在引力的感化下,暗物資和普通物資聚集起來,構成了星系和恆星,第一代恆星發出的輻射讓黑暗的宇宙迎來了拂曉,同時輻射中的紫外線也逐步讓四周氣體中的氫原子重新電離,是以天文學家也把這個階段稱作“再電離”。

    固然,這樣的進程是理論的猜測,究竟最初的星系和恆星是若何構成的,再電離進程由是若何展開的,天文學家渴望能間接經過觀察獲得線索。但要經過什麼手段才能看到阿誰期間呢,究竟原初的氫原子氣體是“黑暗”的,而在那樣悠遠的間隔,單個第一代恆星發出的光也顯得眇乎小哉。

    21厘米氫線

    榮幸的是,即使是很是冷的氫原子,也能發出一種特別的輻射。氫原子是由一個氫原子核(質子)和一個電子組成的,原子核和電子的自旋偏向能夠不異,也能夠相反,而在這兩種狀態下,原子的能量存在細小的差別。假如電子原本與原子核自旋偏向不異,在自旋翻轉、變得與原子核的偏向相反時,原子的能量下降,就會發出波長為21厘米的輻射。反之,低能狀態的氫原子也可以吸收21厘米波長的光子,翻轉電子的自旋偏向。

    在嘗試室中,這類21厘米輻射是很難觀察到的,由於電子自旋翻轉的幾率實在太低了,即使原本處于能量較高的狀態,它也很不情願翻轉到低能狀態,一個電子均勻每1000萬年才會這樣翻轉一次。不外,宇宙中的氫原子實在太多了,即使幾率極低,單元時候發生電子自旋翻轉的氫原子絕對數目也是可觀的,完萬能發生可供觀察到的輻射。

    與電子在分歧能級之間躍遷所需要的能量相比,自旋翻轉需要的能量要小很多,即使在恆星誕生之前,微波佈景輻射的光子以及原子之間的相互踫撞都足以讓某些電子自旋翻轉。電子與氫核自旋同向和反向,這兩種原子的數目比例反應了中性氫整體上與電子自旋有關的能量狀態。就像原子沒法則活動的速度決議了內能,界說了溫度一樣,這個比例也可以界說一個溫度€€€€自旋溫度。

    這樣一來,在宇宙的黑暗時代,有三種標志性的溫度,一個是氫原子的自旋溫度,另一個就是一般意義上的溫度€€€€由原子的沒法則活動決議的動力學溫度,還有一個是表現了微波佈景輻射光子能量的輻射溫度。這三種溫度的關系隨著宇宙演變不竭變化,也決議了中性氫究竟是自己發出21厘米輻射,還是吸收微波佈景輻射中的21厘米成份。

    最初,在宇宙剛進入黑暗時代的時辰,微波佈景輻射光子不竭與原子踫撞交換能量,三種溫度是連結相稱的。隨著宇宙收縮,光子越來越稀疏,跟原子的能量交換變得越來越低效,動力學溫度和輻射溫度就擺脫了,兩者都隨著收縮下降,但動力學溫度下降得更快。而這時原子間的踫撞對自旋狀態影響更大,自旋溫度和動力學溫度連結分歧,低于輻射溫度,氫原子會吸收21厘米輻射。

    但隨著宇宙收縮,氫原子自己也變得過于稀疏,很難經過踫撞讓電子自旋翻轉,微波佈景輻射光子決議了自旋狀態,自旋溫度和動力學溫度擺脫,起頭跟輻射溫度連結分歧。此時氫原子整體上既不吸收21厘米輻射,也不會發出21厘米輻射。

    隨著第一代恆星構成,情況又發生了變化,恆星發出的紫外輻射讓氫原子的動力學溫度上升,同時也會讓它們長久電離後又重新和電子連繫。電子在來去之間改變了自己的自旋偏向,決議兩種原子比例的,又由微波佈景輻射變回了動力學溫度。此時,自旋溫度等于動力學溫度,仍低于輻射溫度,所以氫原子又起頭吸收21厘米輻射。以後,自旋溫度隨著動力學溫度不竭上升,終于跨越了輻射溫度,氫原子就重新起頭發出21厘米輻射。終極,氫原子被恆星的紫外線完全電離,21厘米信號也就完全消失了。

    新的發現與意外結論

    隨著宇宙的收縮,已經波長為21厘米的信號,到達我們的時辰已經發生紅移,波長被拉長了很多。例如,黑暗時代剛起頭時發出21厘米輻射,波長已經釀成了210米,而在黑暗時代竣事時發出的輻射,波長則釀成了1~2米。這也就是說,信號平分歧波長的成份源于早期宇宙的分歧期間,照顧了反應那時宇宙成份和結構的信息。

    是以,經過觀察21厘米輻射信號,天文學家可以了戒嚴寒黑暗的“黑暗時代”,以及以後的宇宙再電離進程。假如能分辨天空分歧位置的信號強度,還可以更進一步地研討電離地區是若何演變擴大的。天文學家也簡直一向在嘗試觀察再電離期間的21厘米輻射,追隨“宇宙的第一縷曙光”。比來,美國亞利桑那州立大學的Judd Bowman和麻省理工的Alan Rogers等人合作展開的EDGES項目終于開花成果,他們操縱設備在澳大利亞默奇森射電天文台的射電天線,初次探測到了宇宙早期的21厘米氫原子輻射信號,相關論文頒發在最新一期的《自然》(Nature)。

    科學家首次捕捉到宇宙“第一縷曙光”

    這個位于澳大利亞西部的默奇森射電天文台的射電天線初次探測到宇宙早期的21厘米氫原子輻射信號。

    在此項研討中,EDGES團隊的方針是探測波長在1到6米之間的全天微波佈景輻射譜。他們的裝備相對來說比力簡單,就是一台餐桌鉅細的射電天線。盡管沒才能分辨信號在空間上來自天空中的哪個位置,但這個天線很是合適捕捉微小的低頻信號。

    研討者發現,輻射譜在波長大約4.3米到3.5米之間出現了一個很是明顯的“山谷”,這恰好對應于紅移從20到15的21厘米輻射。這樣的紅移對應于大爆炸後1.8億年到2.7億年間,“山谷”意味著此時第一代恆星剛出現,發出的紫外線致使氫原子吸收微波佈景輻射中的21cm成份。

    科學家首次捕捉到宇宙“第一縷曙光”

    第一代恆星出現時,氫原子吸收21厘米輻射,構成圖中的“山谷”。來歷︰Bowman et al. 2018, Nature

    輻射譜上“山谷”的位置,也就是吸收信號出現和消失的時候,與理論模子的預言合適得很好。不外,“山谷”的谷底很是平,這有些出人料想,這意味著早期的恆星敏捷就發生了充足的輻射,能夠對第一代恆星的構成理論供給一些線索。而更讓人意外的則是“山谷”很是深,信號的強度要比理論預算的高兩個數目級。決議了吸收信號強度的是原初氣體的溫度與輻射溫度之間的差別,研討者以為,這表白原初氣體的溫度要比科學家曩昔以為的還要低,而一般的氣體冷卻進程,是沒法到達這麼低的溫度的。他們提出,能夠是暗物資與氫原子之間,除了萬有引力還存在其他相互感化。這類相互感化帶走了更多的能量,幫助氫原子氣體敏捷冷卻。

    在頒發于同一期《自然》的另一篇論文中,以色列特拉維夫大學的天體物理學家Rennan Barkana預算,要讓原初氣體冷卻到這樣低的溫度,暗物資粒子必須低于5倍氫原子質量。現在朝最受物理學家喜愛的暗物資候選者是弱相互感化大質量粒子(WIMP),質量要比這大很多,是氫原子的幾百倍。而針對此類粒子的搜索嘗試至今一無所獲,一些物理學家已經把眼光投向了其他候選者,此次的發現能夠給他們更充實的來由。Barkana以為,這一成果表白21cm信號也能幫助物理學家研討暗物資的性質。

    科學家希望進一步的觀察,以及其他探測宇宙早期21cm信號的研討,可以確認他們的發現,並幫助我們更好地了解宇宙的黑暗時代。

     

                                                      
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