期待!天文学家要探测宇宙中首批恒星发出的光

这个项目可揭示第一批恒星的关键信息。但要捕捉到120亿年前的任何信号,都很不容易,这需要高度灵敏度的仪器。

腾讯太空讯 大爆炸(Big Bang)之后,宇宙极热,热到连原子都无法形成。直到大约37.7万年后,宇宙才膨胀并冷却到可以形成原子,且大部分是中性氢。随着第一批恒星和星系开始发光,宇宙从黑暗时代(Dark Ages)中破晓而生。

据外媒报道,通过对默奇森宽场阵列(MWA)射电望远镜收集的数据进行新的分析,科学家在探测这一宇宙转折点,即第一批恒星信号方面又迈出新的一步。

在这篇发表于ArXiv预印网站的新论文中,研究人员为中性氢信号的强度设置了迄今为止的最低极限。这是寻找微弱中性氢信号的关键。

“如果中性氢信号比我们在论文中设定的极限更强,那望远镜就会探测到,”该论文通讯作者、布朗大学物理学助理教授乔纳森·波贝尔(Jonathan Pober)说道。“这些发现能帮我们进一步限定黑暗时代结束的时间以及第一批恒星出现的时间。”

再电离时期(EoR)在宇宙史上很重要,第一批恒星正是在此期间形成,但人们对这一时期知之甚少。随着宇宙冷却和膨胀,中性氢出现了。然后,原子开始聚集在一起形成恒星和星系。

新出现的光又重新电离了中性氢,导致其在星际空间中大量消失。

像默奇森宽场阵列这样的项目,就是旨在寻找中性氢信号,并测量其是如何随着再电离时期的展开而变化。

此举可揭示第一批恒星的关键信息。但要捕捉到120亿年前的任何信号,都很不容易,这需要高度灵敏度的仪器。

图注:默奇森宽场阵列现由256个子阵列接收器组成

默奇森宽场阵列位于西澳大利亚偏远地带,于2013年开始运行,此前是由2048个无线电天线排列成128个子阵列。

中性氢释放的信号难以捉摸,为了更好地探测,科学家将子阵列增加一倍到256个,并重新布局阵列以提高对中性氢的敏感度。

然后,这些子阵列接收器探测的所有数据都会被输入到一个名为Correlator的超级计算机中。这篇新论文是对阵列扩展后收集数据的首次分析。

图注:宇宙历史图示

中性氢发出的辐射波长为21厘米,但宇宙在不断膨胀,使这种信号现在延伸到2米左右。

可问题是,有太多其他物体,人造光源或者星系中的光,也会发出同样波长。

“所有这些其他来源,都比我们要探测的信号强许多,”波贝尔说道。“即使是一架经过望远镜上方的飞机,其反射回的调频无线电信号也足以污染数据。”

为了追踪有用信号,研究人员使用大量处理技术来清除污染信号。而望远镜自身独特的频率响应也派上用场。

“观察不同的无线电频率或波长,该望远镜的反应也会有点区别,”波贝尔说道。“要分离污染信号和有用信号,校正望远镜的响应极其关键。”

图注:宇宙从大爆炸到现在的演变图

该阵列的重新布置,再加上先进的数据分析技术,使科研人员为中性氢信号提出了一个新的上限。

这是该研究小组发布的第二份“迄今为止最好的”限值。人类距探测到难以捉摸的中性氢信号又近了一步。

这项研究由布朗大学博士生李文阳(Wenyang Li音译)领导。该论文将发表在天文物理期刊(The Astrophysical Journal)上。

(翻译:羽佳;审核:乔辉)