宇宙中第一代星係是如何形成的？暗物質的性質是什麽(me) ？這兩(liang) 大謎團能否同時通過天文觀測進行研究揭秘？

　　最近，我國天文學家提出，通過測量21厘米森林的一維功率譜，未來的平方公裏陣列射電望遠鏡（SKA）將能夠同時揭秘宇宙第一代星係和暗物質的性質。相關(guan) 研究發表在國際學術期刊《自然·天文》上。

　　探測21厘米森林一直麵臨(lin) 極大挑戰

　　宇宙中存在大量的中性氫氣體(ti) 。這些氣體(ti) 中的氫原子在基態能級超精細結構之間的躍遷，會(hui) 產(chan) 生電磁波波長為(wei) 21厘米的線輻射，也就是中性氫21厘米線。

　　中性氫21厘米線為(wei) 天文學家探索宇宙提供了巨大的機遇。“中性氫21厘米線為(wei) 探測宇宙黎明與(yu) 第一代星係提供了獨一無二的手段。同時，利用中性氫21厘米譜線探測宇宙黎明與(yu) 再電離也是平方公裏陣列射電望遠鏡最重要的科學目標之一。”論文共同通訊作者、中國科學院國家天文台研究員陳學雷說。

　　同時，宇宙早期各種結構及其周圍的氫原子氣體(ti) 會(hui) 在高紅移射電點源的光譜上產(chan) 生密集的21厘米吸收線。“這些吸收線叢(cong) ，被天文學家形象地稱為(wei) 21厘米森林。”陳學雷說，多年來，探測21厘米森林一直麵臨(lin) 極大挑戰。

　　“主要原因有兩(liang) 方麵：一是21厘米森林信號微弱，並且探測它所依賴的宇宙黎明時期的射電亮源難以獲取；二是21厘米森林信號同時受到第一代星係加熱效應和暗物質性質的影響，因此在觀測上我們(men) 很難區分這兩(liang) 種效應。這就使得21厘米森林探測難以實際用於(yu) 限製第一代星係的加熱效應或暗物質的性質。”論文共同通訊作者、中國科學院國家天文台副研究員徐怡冬解釋。

　　近年來，已經有一批高紅移射電噪的類星體(ti) 被發現，而且平方公裏陣列射電望遠鏡也進入了工程建設階段，開展21厘米森林探測已迫在眉睫。

　　在這項研究中，我國天文學家提出了一種原創性的統計測量方案，使得21厘米森林不僅(jin) 能夠限製宇宙第一代星係的性質，還可以同時測量暗物質粒子的質量。

　　新方法有望拓展人類對宇宙的認知

　　“我們(men) 意識到由第一代星係的加熱效應和溫暗物質引起的信號變化，在光譜上的尺度分布特征存在明顯不同。通過一維功率譜分析，我們(men) 未來可以從(cong) 統計上區分這二者。”徐怡冬介紹。

　　“21厘米森林的一維功率譜確實可以成為(wei) 一箭雙雕的宇宙學探針，它為(wei) 揭開暗物質和第一代星係之謎提供了一種極有前景的新途徑。”論文共同通訊作者、東(dong) 北大學教授張鑫強調。

　　針對此研究，加拿大圓周理論物理研究所教授凱瑟琳·麥克評論道：“這項研究提出了一種有趣的方法，能夠利用21厘米森林功率譜同時限製宇宙X射線對星係際介質的加熱，以及溫暗物質的可能效應這兩(liang) 種現象。雖然以前的研究已經檢查了21厘米森林作為(wei) 星係際介質探針的可能性，但將溫暗物質效應作為(wei) 一個(ge) 獨立信號包含進來，則為(wei) 未來的觀測提供了一個(ge) 新的科學目標。”

　　《自然·天文》的編輯團隊也針對這項研究發表了評論：“我們(men) 宇宙的最遠處總是極為(wei) 神秘，由於(yu) 被塵埃、吸收光的原子和中間介質中的氣體(ti) 阻擋而很難直接觀測。這項研究將吸收轉化為(wei) 一種優(you) 勢，利用它打破了其他方法所遭遇的不同效應的簡並，並可用於(yu) 闡明早期宇宙的結構形成。”

　　研究人員表示，這一突破性方法的發展對於(yu) 解開暗物質和宇宙早期天體(ti) 形成的奧秘具有重要意義(yi) ，並將進一步推動我們(men) 對暗物質的理解，揭示宇宙結構形成及演化的過程。通過更深入的觀測和分析，我們(men) 有望在不久的將來獲得關(guan) 於(yu) 暗物質性質和早期星係形成的更多見解，進一步拓展我們(men) 對宇宙的認知。（記者 陸成寬）