宇宙起源于约139亿年以前，大爆炸之后，宇宙中的大部分物质冷却形成中性氢，进入宇宙黑暗时期。大约1亿年后，在引力的作用下，密度较大的氢气聚集在一起，形成第一颗恒星，黑暗的宇宙出现了第一缕曙光，迎来宇宙黎明。此后，演化出更多的恒星和星系，宇宙进入辉煌、璀璨的年代。
视频来自于:NASA's Goddard Space Flight Center/CI Labhttps://svs.gsfc.nasa.gov/12656在黑暗时期，宇宙中没有光，只有重子物质，重子物质主要以氢和氦原子气体形式存在。中性氢原子由有一个质子（核）和一个电子（核外电子）组成。核外电子绕核旋转，可以处于不同的轨道，对应原子不同的能级。最内层轨道，能级最低。质子、电子也有自旋，两者的自旋方向有“平行”和“反平行”两种状态，“反平行”状态能量最低。由于碰撞，中性氢原子即非电离态的氢原子，会吸收能量从“反平行”状态变为“平行”状态，当回到“反平行”状态时，多余的能量便会释放出去，产生21cm辐射。如图1所示。图1 来自维基百科
1944年，荷兰天文学家范.德.胡斯特（H.C.Van de Hulst）从理论上计算出中性氢原子在能态改变时会辐射21cm波长的电磁波。1951年哈佛大学的尤恩(Harold Ewen) 和珀塞尔（E.M. Purcell）首次观察到来自银河系的中性氢原子21 cm的星际谱线信号。1954年，激光之父美国物理学家查尔斯.汤斯（C.H.Townes）列出了17种可观测到的星际分子谱线清单，极大促进了分子天文学的发展，1964年因其在微波激射器和激光器方面的重大贡献获诺贝尔物理学奖。今天我们若去寻找宇宙早期的中性氢原子，它经历了139亿年的红移，其频率已经从1420MHz红移到了30MHz以下的低频谱段。什么是“红移”？红移是物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低。提到红移，不得不提哈勃著名的“红移定律”。1912年至1917年间，美国天文学家斯莱弗（Vesto Melvin Sliper）用谱线位移测量了15个星系的视向速度，只有两个谱线表明向银河系靠近，其余13个都是红移，远离银河系而去。之后，美国天文学家哈勃（Edwin Powell Hubble）和哈马逊（M.L.Humason）用望远镜测量了更多的星系，发现大多数星系都是红移，且红移量与距离有关。1929，哈勃发表文章提出了著名的“哈勃关系”，哈勃关系是宇宙膨胀的观测证据。V是视向速度，因为绝大多数星系都是退行，也称为退行速度；D为距离；H为哈勃常数。按照哈勃关系，越是距离遥远的星系，退行速度越大，按照相对论可推导出红移值计算公式。1953年，哈勃的“红移定律”发表在《英国皇家天文学会月刊》上，同年却不幸去世，与诺贝尔物理学奖失之交臂。对哈勃关系更深刻的理解为：不是星系在空间退行运动，而是宇宙在膨胀！正如这些渐行渐远的氢原子似乎一边跑着一边呼喊，“来追我啊，快来追我啊！”，让我们唯一可追寻的脚印便是21cm辐射信号。
视频2
视频来自于DSL团队
宇宙大爆炸理论和宇宙膨胀理论提出后，氢原子引发的故事越来越多。大爆炸后最初约30万年内，由于温度太高，氢原子核、氦原子核不能与电子结合，宇宙中游荡着稠密的自由电子，辐射不能自由穿行，宇宙处于混沌和黑暗之中。40万年～70万年以后，温度降低，氢原子核、氦原子核与电子自由结合，形成了简单原子。自由电子消失，辐射可以自由穿行，混沌初开、曙光初现，形成了最早的宇宙背景辐射。1964年，美国贝尔实验室的两位无线电工程师彭齐亚斯（A.A.Penzias）和威尔逊（R.W.Wilson）用一种特殊设计的喇叭天线获得了划时代意义的重大发现——在天空各处无所不在地存在一种微波波段的辐射，无论哪个方向强度都均匀一致，相当于绝对温度3K。而这正是普林斯顿大学天体物理学家皮布尔斯（P.E.J.Peebles）和迪克（R.H.Dicke）教授论证并准备探测的3K宇宙背景辐射。宇宙背景辐射做为大爆炸理论的实测证据，1978年，彭齐亚斯和威尔逊因这一发现获诺贝尔物理学奖。之后，1989年11月，美国发射宇宙背景探测卫星COBE（cosmic background explorer）,探测结果表明宇宙背景辐射呈现出非常完美的黑体谱，也侧面证实了大爆炸理论的正确性。2006年，主持该项目的天文学家马塞（J.Mather）和斯穆特（G.Smoot）获得诺贝尔物理学奖。2001年，美国又发射了精度更高、波长范围更广的宇宙微波辐射各向异性探测器（WMAP），给出5个波段的全天图。2009年，欧洲航天局牵头美国航天局参与发射普朗克卫星（Planck），在9个波段绘制迄今为止最精确的微波背景辐射图。Planck卫星与WMAP探测结果对比如图2所示。直到2019年，皮布尔斯由于其在宇宙学的杰出贡献，也终获诺贝尔物理学奖。图2 来自百度百科
虽然大爆炸理论已经通过宇宙观测得到证实，但宇宙黑暗时期和宇宙黎明，还存在多种理论猜想，是早期宇宙最重要的待解之谜。宇宙早期氢原子的故事拉开了低频射电探测的序幕，中国科学家和工程师们也踏上了探索的征程。2018年，嫦娥四号着陆器配置了中国研制的低频探测天线，鹊桥号中继卫星上搭载了荷兰研制的低频探测天线；同时，与鹊桥号中继星一起发射的龙江一号、二号卫星配置了低频干涉仪；同年，中国科学院空间科学先导专项启动背景型号项目DSL任务。低频射电探测的脚步向着氢原子的深处呼唤前进。