中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 李碧瑩 編譯自 Sarah Wild. Physics World，2026，(1)：28

本文選自《物理》2026年第3期

正如曼徹斯特大學(xué)Phil Bull所說(shuō)：這是天文學(xué)中為數(shù)不多的重大前沿領(lǐng)域之一，而且事實(shí)證明，這是一個(gè)非常關(guān)鍵的宇宙歷史時(shí)期，但目前我們實(shí)際上并不了解它。

在早期宇宙中有一個(gè)至關(guān)重要但令人困惑的時(shí)期——從大爆炸后的38萬(wàn)年到10億年——宇宙的結(jié)構(gòu)從簡(jiǎn)單變得復(fù)雜。為了揭開這層神秘的面紗，世界各地的實(shí)驗(yàn)，從澳大利亞到北極，都在競(jìng)相尋找來(lái)自最早的氫原子的特定信號(hào)。這個(gè)信號(hào)可以證實(shí)或推翻當(dāng)前關(guān)于宇宙演化及其物理規(guī)律的理論。

氫是宇宙中最豐富的元素。當(dāng)處于基態(tài)的中性氫原子改變狀態(tài)時(shí)，它們可以發(fā)射或吸收光子。這種光譜躍遷可以產(chǎn)生波長(zhǎng)為21cm的發(fā)射或吸收無(wú)線電信號(hào)。

盡管參與搜尋的團(tuán)隊(duì)逐年增多，但至今無(wú)人真正探測(cè)到這個(gè)信號(hào)。這場(chǎng)尋找宇宙第一縷曙光的競(jìng)賽將花落誰(shuí)家？搜尋又是如何進(jìn)行的呢？

大爆炸后38萬(wàn)年到10億年是宇宙演化的關(guān)鍵時(shí)期，宇宙結(jié)構(gòu)從簡(jiǎn)單走向復(fù)雜，尤其是大爆炸后略小于2.8億年的時(shí)段，被劍橋大學(xué)Anastasia Fialkov稱為“最后幾個(gè)空白區(qū)域之一”。這一空白區(qū)銜接了早期簡(jiǎn)單宇宙與如今的復(fù)雜宇宙，涵蓋宇宙黑暗時(shí)代結(jié)束、宇宙黎明和再電離時(shí)期。黑暗時(shí)代，宇宙中僅有中性氫和氦，無(wú)恒星發(fā)光；引力放大密度擾動(dòng)后，原始?xì)怏w聚集形成第一批恒星和星系，即宇宙黎明；隨后，首批天體的輻射加熱并電離氫原子，宇宙進(jìn)入再電離時(shí)期。

天文學(xué)家正在尋找的21 cm信號(hào)源于氫原子的光譜躍遷，在黑暗時(shí)代，主要由氫的碰撞所激發(fā)；而到了宇宙黎明時(shí)期，則由第一批恒星發(fā)出的第一批光子所激發(fā)。然而，21 cm信號(hào)強(qiáng)度僅能依據(jù)宇宙微波背景輻射來(lái)測(cè)量，后者是穩(wěn)定的21 cm光子背景源。

中性氫溫度低于宇宙微波背景時(shí)，碰撞少，原子吸收21 cm光子多于發(fā)射，信號(hào)表現(xiàn)為吸收；溫度高于背景時(shí)，原子發(fā)射光子多于吸收，信號(hào)表現(xiàn)為發(fā)射。吸收與發(fā)射速率由氣體密度、溫度以及第一批宇宙光源的輻射時(shí)間和強(qiáng)度決定。所以，21 cm信號(hào)記錄了早期宇宙的演化信息。

科學(xué)家通過測(cè)量中性氫相對(duì)宇宙微波背景從吸收轉(zhuǎn)為發(fā)射的過程，來(lái)尋找早期宇宙印記。21 cm信號(hào)的頻率約為1420 MHz。然而，根據(jù)理論推測(cè)，這一古老信號(hào)在穿越宇宙“空白區(qū)”的旅程中，其發(fā)射與吸收強(qiáng)度會(huì)因宇宙不同演化階段的影響而產(chǎn)生波動(dòng)。宇宙膨脹也讓該信號(hào)在傳向地球的過程中波長(zhǎng)變長(zhǎng)，它如今的頻率在1—200 MHz之間——頻率越低，對(duì)應(yīng)年代越古老——波長(zhǎng)也從厘米級(jí)變?yōu)槊准?jí)。

重要的是，早期宇宙的21厘米信號(hào)既可驗(yàn)證也可顛覆當(dāng)前宇宙學(xué)主流冷暗物質(zhì)模型。該信號(hào)極微弱，僅為宇宙微波背景黑體溫度的0.1 K，無(wú)單一發(fā)射源，遍布宇宙。一般而言，現(xiàn)有理論模型已對(duì)這一信號(hào)可能的特征范圍給出了十分明確的預(yù)測(cè)區(qū)間，如圖1所示。

圖1 跨越宇宙時(shí)空的21 cm信號(hào) (a)天空平均(全局)信號(hào)隨時(shí)間(橫軸)和空間(縱軸)變化的模擬圖；(b)典型的全球21 cm譜線模型，標(biāo)注了主要的宇宙演化事件。每項(xiàng)搜尋全球21 cm信號(hào)的實(shí)驗(yàn)都專注于特定的頻率波段。例如，宇宙氫分析射電實(shí)驗(yàn)(REACH)的關(guān)注范圍是50—170 MHz(藍(lán)色區(qū)域)

另外，宇宙中充滿了污染，而科學(xué)家們要在亮度高出一百萬(wàn)倍的環(huán)境里，尋找這僅有0.1 K的微弱信號(hào)，使得這項(xiàng)測(cè)量對(duì)儀器校準(zhǔn)、理論認(rèn)知和模型精準(zhǔn)度都提出來(lái)了極高要求。

2018年，EDGES實(shí)驗(yàn)聲稱探測(cè)到21 cm總強(qiáng)度信號(hào)。該儀器為乒乓球桌狀偶極天線，架設(shè)在西澳大利亞的射頻靜默區(qū)，然而，其觀測(cè)結(jié)果在隨后7年里無(wú)人能復(fù)現(xiàn)。更令人意外的是，EDGES在78 MHz處觀測(cè)到的信號(hào)凹陷，幅度是理論預(yù)測(cè)的兩倍以上，且凹陷更寬更深，劍橋大學(xué)Lera Acedo認(rèn)為，若該信號(hào)為真，需要全新的物理學(xué)理論來(lái)解釋，然而，首要前提是確認(rèn)該信號(hào)的真實(shí)性。

EDGES的發(fā)現(xiàn)掀起了宇宙學(xué)界的研究熱潮，許多團(tuán)隊(duì)紛紛展開驗(yàn)證或全新探測(cè)。劍橋大學(xué)與南非斯泰倫博斯大學(xué)合作的REACH實(shí)驗(yàn)，聚焦50—170 MHz頻段，在南非射電寧?kù)o區(qū)架設(shè)兩類天線，置于巨型金屬網(wǎng)狀接地板上以減少地面干擾，其首席研究員Lera Acedo指出，信號(hào)搜尋需依托精準(zhǔn)的宇宙學(xué)理論和工程技術(shù)，地面反射、校準(zhǔn)誤差、土壤雜散信號(hào)是主要障礙，需通過降低系統(tǒng)噪聲、優(yōu)化數(shù)據(jù)分析來(lái)剔除干擾。

另外，印度拉曼研究所的SARAS實(shí)驗(yàn)經(jīng)多次改進(jìn)，從地面天線改為水面漂浮的金屬錐形天線，觀測(cè)頻段40—200 MHz。在EDGES公布結(jié)果后，SARAS將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向驗(yàn)證該結(jié)果。2022年其團(tuán)隊(duì)利用漂浮輻射計(jì)數(shù)據(jù)，最終得出不支持EDGES結(jié)論的結(jié)果。研究科學(xué)家Saurabh Singh表示，未探測(cè)到信號(hào)的結(jié)果同樣重要，能排除大量理論模型，修正對(duì)早期恒星和星系特性的認(rèn)知。

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的科研人員也展開了多項(xiàng)探索。Raul Monsalve Jara自2012年參與EDGES項(xiàng)目，同時(shí)擔(dān)任多國(guó)合作的MIST實(shí)驗(yàn)聯(lián)合負(fù)責(zé)人，該實(shí)驗(yàn)觀測(cè)頻段25—105 MHz，采用簡(jiǎn)化儀器、移除金屬接地板的方案，將小型便攜設(shè)備送至加州、內(nèi)華達(dá)沙漠及北極等偏遠(yuǎn)地區(qū)觀測(cè)，并靈活更換觀測(cè)點(diǎn)以減少環(huán)境干擾，團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃在智利開展更多觀測(cè)。同校的Aaron Parsons則提出徹底消除地面干擾的思路，其設(shè)計(jì)的EIGSEP系統(tǒng)將天線懸掛在猶他州峽谷上方，四周留百米空曠空間，觀測(cè)頻段50—250 MHz，天線可旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)校準(zhǔn)，并與地面天線協(xié)同觀測(cè)，該項(xiàng)目已于去年投入使用。

未來(lái)一年，更多探測(cè)實(shí)驗(yàn)將投入運(yùn)行。曼徹斯特大學(xué)的RHINO項(xiàng)目，利用摩天大樓上的金屬網(wǎng)制成喇叭形接收器(具有利于校準(zhǔn)、測(cè)量精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì))，初期設(shè)于卓瑞爾河岸天文臺(tái)，后續(xù)將前往偏遠(yuǎn)地區(qū)探測(cè)。曾創(chuàng)立SARAS實(shí)驗(yàn)的Ravi Subrahmanyan，現(xiàn)正設(shè)計(jì)全新輻射計(jì)GINAN，觀測(cè)頻段40—160 MHz，搭載自校準(zhǔn)天線，能更真實(shí)地測(cè)量天空信號(hào)。

與此同時(shí)，EDGES團(tuán)隊(duì)也在持續(xù)升級(jí)，由麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)主導(dǎo)的Cappallo項(xiàng)目將其升級(jí)至第三代，設(shè)備仍為桌面大小，但改為盒式封閉結(jié)構(gòu)，電子元件內(nèi)置，配備更大金屬接地板，研究團(tuán)隊(duì)已在加拿大群島和阿拉斯加阿留申群島開展觀測(cè)(圖2)。Cappallo表示，2018年的EDGES結(jié)果需經(jīng)獨(dú)立驗(yàn)證才能被學(xué)界認(rèn)可，團(tuán)隊(duì)將在更多地點(diǎn)和環(huán)境下觀測(cè)以提升可靠性，目前該團(tuán)隊(duì)雖能通過相同流程復(fù)現(xiàn)結(jié)果，但尚無(wú)其他團(tuán)隊(duì)能重現(xiàn)這一信號(hào)。一些天文學(xué)家支持新實(shí)驗(yàn)的開展，Aaron Parsons認(rèn)為，多個(gè)團(tuán)隊(duì)用不同方法研究，才能形成共識(shí)，避免輕信單一測(cè)量結(jié)果。

圖2 2024年，一套EDGES系統(tǒng)被部署至射電靜默區(qū)阿留申群島進(jìn)行觀測(cè)

由于地球大氣層的電離層會(huì)扭曲干擾信號(hào)，且地面存在大量無(wú)線電噪聲，部分天文學(xué)家將探測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)向月球，尤其是月球背面，能完全避開地球的無(wú)線電干擾。Aaron Parsons參與了NASA的LuSEE-Night項(xiàng)目，該項(xiàng)目計(jì)劃明年在月球著陸低頻探測(cè)設(shè)備。2025年7月，Lera Acedo提出Cosmocube方案，將微型輻射計(jì)送入月球軌道，繞月搜尋21 cm信號(hào)。該項(xiàng)目目前仍在籌備中，至少十年內(nèi)不會(huì)投入運(yùn)行，但被認(rèn)為是探測(cè)研究的重要一步。

當(dāng)下，各團(tuán)隊(duì)仍在競(jìng)相探測(cè)這一難以捕捉的21 cm信號(hào)，隨著儀器靈敏度提升、理論模型完善，未知因素正逐漸減少。Raul Monsalve Jara堅(jiān)信，只要實(shí)驗(yàn)方法正確，人們終將找到這一信號(hào)。這場(chǎng)競(jìng)賽的核心問題，便是眾多團(tuán)隊(duì)中誰(shuí)的實(shí)驗(yàn)方案才是真正正確的那一個(gè)？

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