澳射电天文台捕获宇宙早期恒星遗迹解锁宇宙奥秘学术资讯

▲显示了从第一批恒星出现时起的宇宙时间线图示。

据2月28日《自然》杂志刊发的一篇论文称，经过长达十二年的实验，美国亚利桑那州立大学地球和太空探索学院的天文学家贾德·鲍曼（Judd Bowman）领导的研究小组，发现了宇宙中最历史久远的恒星在太空中留下的印记。他们利用射电信号，让人类第一次找到了宇宙恒星谱系树中最古老的天体祖先遗留下来的证据，从而打开了人类观察宇宙早期形态的新窗口。在宇宙为期138亿年的漫长历史中，这棵谱系树在宇宙诞生后仅1.8亿年时就已经开始生根萌芽了。

宇宙的形成过程大致是这样：在标志着开端的大爆炸后约四十万年中，宇宙是一片漆黑无光的混沌，其中没有任何恒星或星系，有的只是充盈其中的中性氢气。在接下来五千万到一亿年里，宇宙中的引力缓慢得把密度最大的气体区域拉拢集中到一起，直到最终某些位置的气体发生坍缩，从而形成了第一批恒星。最初的恒星是什么模样的？它们是什么时候形成的？它们是如何影响宇宙其它部分的？这些都是全世界天文学家和天体物理学家长期以来一直在力图解答的疑问。

鲍曼的研究小组在澳大利亚默奇森射电天文台（MRO）使用了“射电分光仪”，结合“EDGES”射电望眼镜的观测，研究小组测量了整个南半球天空中接收到的所有天文信号的平均无线电频谱，并在其中寻找波长（或频率）波动引起的微小能量变化。

在这项研究中，射电分光仪探测到的信号来自于曾经充满整个年轻宇宙并弥漫在所有恒星和星系之间的原始氢气。这些信号蕴含着丰富的信息，能帮助科学家研究早期恒星以及后来出现的黑洞和星系是如何形成演化的。

“该探测任务有一个巨大的技术挑战就是，分布于被探测信号周围的噪音源可能比信号本身要强一千倍，这就好比试图在飓风中央去聆听蜂鸟翅膀的拍打声。”倾力扶持该项目的美国国家科学基金会的项目官员彼德·科仁斯基（Peter Kurczynski）解释：“虽然这些研究人员在沙漠中使用的是小型射电天线，但是由于那里干扰更少，他们的视线比使用最强大的太空望远镜看得更远，从而打开了观察宇宙早期形态的新窗口。”

该实验结果证实了之前科学家关于恒星最初形成的时间和早期恒星最基本性质的大致理论预测。

共同作者之一、美国麻省理工学院海斯塔克天文台的罗杰斯说：“这一时期发生的是，形成的第一批恒星的部分辐射开始让宇宙中弥漫的氢变得可见——氢开始吸收背景环境中的辐射，从而对人类显示出它的轮廓，尤其是可以在无线电频率上被识别出来。这就是标志着恒星开始形成并影响周围介质的第一个真实可靠的信号。”

该研究还揭示了，宇宙中的气体可能比预期的要寒冷得多，还不到预期温度的一半。这一结果表明，要么是天体物理学家的理论研究忽略了一些重要的事实，要么是这可能是迄今为止人类发现的第一个非标准物理学现象存在的证据。具体而言，有一种可能性是：在宇宙形成早期，作为正常物质的重子可能与宇宙中的暗物质发生了相互作用，从而慢慢地将能量转移到暗物质中。这一理论概念假设最初是由以色列特拉维夫大学的热娜·巴卡那（Rennan Barkana）提出的。

“如果巴卡那的假设得到验证，那就意味着我们进一步认识了神秘的暗物质，并获得了关于这种物质的基本认识。暗物质构成了宇宙中85%的物质，这将会是人类第一次见识到超越标准模型的物理学现象。”鲍曼如是说。

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编译：朱明逸审稿：三水编辑：程建兰

来源：https://phys.org/news/2018-02-secrets-universe.html