科学家提出揭秘宇宙第一代星系新方法学术资讯

宇宙学探针21厘米森林艺术图。国家天文台供图

来源：中国科学报

本报讯（记者甘晓）近日，《自然-天文》在线发表了中国科学院国家天文台和东北大学合作研究的一项重大成果。这项理论研究提出，利用宇宙黎明时期21厘米森林信号的一维功率谱测量，未来的平方公里阵列射电望远镜（SKA）将能够同时揭秘宇宙第一代星系和暗物质的性质。

宇宙中第一代星系是如何形成的？它们如何照亮黑暗时代并迎来宇宙黎明？宇宙早期的星系际介质是如何被第一代星系电离并加热的？这些都是天文学领域的重大科学难题。中性氢的21厘米谱线为宇宙黎明与第一代星系提供了独一无二的探测手段，利用21厘米谱线探测宇宙黎明与再电离也是SKA最重要的科学目标之一。

中性氢的21厘米信号有多种观测模式，以宇宙微波背景辐射为背景源的21厘米信号测量最为常见。同时，宇宙早期各种结构及其周围的氢原子气体会在高红移射电点源的光谱上产生密集的21厘米吸收线，这些吸收线丛被形象地称为21厘米森林。由于信号微弱，且依赖于宇宙黎明时期射电亮源的获取，多年来21厘米森林探测面临极大挑战。

据科研人员介绍，此项工作深入研究了过去鲜有论及的21厘米森林探针，并提出了一种原创性的统计测量方案，使之不仅能够用于限制宇宙第一代星系的性质，还可以同时测量暗物质粒子质量。

“我们意识到由温暗物质效应和加热效应引起的信号变化，在光谱上的尺度分布特征不同，因此通过一维功率谱分析，将可以从统计上提取关键特征以区分这两种效应。”论文共同通讯作者、中国科学院国家天文台副研究员徐怡冬介绍说，“如果对同一段光谱的两次测量做互相关，将能够显著压低噪声，从而提高信噪比。这对21厘米森林这种弱信号的提取非常关键。”

模拟结果显示，一维交叉功率谱测量显著提高了观测的灵敏度，同时，一维功率谱的幅度和形状特征显现出信号的尺度依赖性，使得21厘米森林变得切实可行，且能够同时测量暗物质粒子质量和宇宙黎明时期的热历史。因此，21厘米森林的一维功率谱可以成为一箭双雕的宇宙学探针，为揭开暗物质和第一代星系之谜开辟了一种极有前景的新途径。