宇宙如何從(cong) 黑暗走向光明？暗物質是“冷”還是“溫”？宇宙在最初的10億(yi) 年經曆了什麽(me) ？這對於(yu) 理解宇宙的奧秘非常重要。然而，由於(yu) 宇宙的最初演化階段是一片黑暗的，要想探測到這個(ge) 時期的情況無比困難，現有的光學和紅外望遠鏡都無能為(wei) 力。那用什麽(me) 來進行探測呢？氫原子的21厘米譜線幾乎是目前已知的唯一的直接探測手段。利用它，科學家可以探索宇宙最古老的樣子，拓展人類對宇宙的認知。

　　1.最初10億(yi) 年，宇宙如何從(cong) 黑暗走向光明

　　宇宙如何從(cong) 黑暗走向光明？這對於(yu) 深刻認識星係和宇宙結構的形成和演化具有重要意義(yi) 。

　　宇宙在年齡為(wei) 38萬(wan) 年的時候，進入了“黑暗時代”。宇宙中除了來自宇宙微波背景輻射（CMB）的光子之外，沒有其他發光天體(ti) 。有的隻是一片幾乎均勻的暗物質和原子氣體(ti) ，其中氣體(ti) 以氫原子為(wei) 主，氫約占四分之三質量，氦約占四分之一。

　　“黑暗時代”持續了大約一億(yi) 年左右。在這寂寞的一億(yi) 年裏，暗物質在引力的作用下開始形成暗暈團塊，原子物質也落入暗暈的引力勢阱中進一步結團，最終最早的一批星係在暗暈中心誕生。

　　“宇宙黎明”開始了，星係的光開始照亮宇宙。

　　隨著星係以及星係中的恒星和黑洞形成，恒星的紫外光子溢出星係，逐步電離星係際介質中的氫原子，同時恒星和黑洞產(chan) 生的X射線也開始對星係際介質進行加熱。最終，在宇宙年齡接近10億(yi) 年的時候，宇宙星係際介質中的氫原子幾乎被完全電離。這一氫原子被發光天體(ti) 再次電離的過程稱為(wei) “宇宙再電離”。

　　那用什麽(me) 來探測宇宙最初的10億(yi) 年呢？由於(yu) 宇宙的最初演化階段是一片黑暗的，光學和紅外望遠鏡無能為(wei) 力，要想探測到這個(ge) 時期無比困難。事實上，宇宙第一代發光天體(ti) 重新照亮宇宙的過程從(cong) 未被人類有效探測到過。

　　目前，要想探測宇宙被第一代星係照亮的過程，氫原子的21厘米譜線幾乎是唯一的直接探測手段。利用這個(ge) 工具，可以探索宇宙最古老的樣子，揭秘宇宙如何從(cong) 黑暗走向光明。

　　氫原子的21厘米譜線又是什麽(me) 呢？

　　氫原子可以在射電波段吸收或輻射光子，對應光子的波長約為(wei) 21厘米，因此該譜線通常被稱為(wei) “21厘米譜線”。簡單來講，在“黑暗時代”和“宇宙黎明”，氫原子氣體(ti) 比宇宙微波背景更冷，它們(men) 會(hui) 從(cong) 微波背景中吸收21厘米光子；在“宇宙再電離”時期，氣體(ti) 被加熱，氫原子會(hui) 發射21厘米信號。因此，如果以CMB光子為(wei) 背景光源，我們(men) 就可以對這些21厘米譜線的信號進行探測。這些21厘米譜線吸收和發射信號會(hui) 幫助我們(men) 理解宇宙的早期演化曆史。

　　早期宇宙中氫原子的21厘米輻射的波長會(hui) 隨著宇宙的膨脹被拉伸得更長。例如，“宇宙再電離”時期的21厘米信號的波長在今天已經被拉伸到1.5~2.3米；“黑暗時代”對應的21厘米信號波長已在6.5米以上。因此，我們(men) 需要用低頻射電天線來接收這些信號。

　　在“宇宙再電離”之後的時代，星係際介質中幾乎已沒有中性氫了，但宇宙中仍然存在大量的中性氫原子，它們(men) 都藏身於(yu) 星係之中。在現代宇宙中，星係中的中性氫仍在不斷地輻射21厘米譜線信號。如果可以用射電望遠鏡探測這些信號，那麽(me) 就可以用21厘米譜線信號追蹤星係。從(cong) 宇宙學的角度來看，就有了一個(ge) 利用射電手段測量宇宙大尺度結構的方法。

　　中性氫原子的21厘米譜線為(wei) 我們(men) 探索宇宙提供了巨大的機遇。首先，為(wei) 我們(men) 打開了觀測宇宙的新窗口，讓我們(men) 能夠利用氫原子的21厘米譜線作為(wei) 信號在射電波段對宇宙演化進行探測。其次，由於(yu) 其在靜止係波長（或頻率）是固定的，波長的拉長程度自動就給出了源的紅移，因此利用這種譜線巡天可以有效對宇宙的演化進行斷層掃描。再次，理論上可以利用21厘米譜線對CMB形成以後的整個(ge) 宇宙演化曆史進行探索。

　　也就是說，在早期宇宙探索中，以CMB光子為(wei) 背景光源，可以做兩(liang) 種21厘米譜線信號的觀測，一個(ge) 是全天平均頻譜測量，一個(ge) 是斷層掃描測量。

　　這兩(liang) 種觀測方式是最主流的21厘米譜線觀測方式。當前的一些21厘米低頻探測實驗已經開始以這兩(liang) 種方式進行觀測，而且得到了一些初步的觀測數據。正在建設中的“平方公裏陣列射電望遠鏡”（SKA）也準備以這樣的方式開始對“宇宙黎明”和“宇宙再電離”進行探測。

　　2.暗物質是“冷”還是“溫”？宇宙小尺度測量是關(guan) 鍵

　　宇宙的第一代星係在暗物質暈中形成。利用21厘米譜線觀測，或許還可以幫助回答暗物質是“冷”還是“溫”這一關(guan) 鍵問題。

　　根據宇宙學的觀測，構成我們(men) 世界的重子物質（原子物質）隻占宇宙中總能量的5%，而暗物質則占了27%。暗物質的本質，是當前基礎科學中最重大的科學問題之一。在當前的宇宙學中，科學家提出三種有關(guan) 暗物質的理論模型——冷暗物質模型、熱暗物質模型和溫暗物質模型。

　　宇宙在“嬰兒(er) ”時期非常熾熱，各種粒子頻繁碰撞，處於(yu) “熱浴”之中。暗物質在宇宙“嬰兒(er) ”時期也處於(yu) “熱浴”之中，但它們(men) 的碰撞截麵非常小，隨著宇宙膨脹，溫度快速下降，暗物質很快就不再參與(yu) 碰撞。

　　如果暗物質退出碰撞時，運動速度比較慢，無法達到光速，這就是冷暗物質模型。如果其運動速度接近光速，就是熱暗物質模型。由於(yu) 熱暗物質模型無法合理解釋宇宙大尺度結構的形成，因此冷暗物質模型成為(wei) 主流模型。

　　但冷暗物質模型卻無法很好地解釋一些星係尺度上的問題——在冷暗物質模型中，星係的密度輪廓在星係中心形成陡峭的尖峰，而這與(yu) 實際觀測明顯不符；在冷暗物質模型中，大型星係周圍存在大量的“衛星星係”，而在實測中看到的衛星星係數量與(yu) 之相比要少得多。

　　麵對這樣的情況，溫暗物質模型應運而生。在宇宙大尺度結構的形成上，它也可以很好地解釋宇宙學觀測數據。由於(yu) 運動速度快得多，相比於(yu) 冷暗物質模型，溫暗物質模型可以在一定程度上“抹平”一些小尺度結構，從(cong) 而彌補冷暗物質模型的不足。

　　但暗物質到底是“冷”還是“溫”？要想弄清楚這一點，關(guan) 鍵是要精確測量宇宙小尺度上的結構，可這是極其困難的。目前隻有少數幾種觀測方法——如強引力透鏡觀測、賴曼—阿爾法森林觀測、銀河係衛星星係觀測等，不過這些方法也都有局限性，目前尚不能從(cong) 根本上解答問題。

　　不過，還有一種有趣的探測方法——“21厘米森林”觀測。當背景源為(wei) 射電噪類星體(ti) 、伽馬射線暴的射電餘(yu) 暉等高紅移射電亮的點源時，它們(men) 發出的光被其路徑上更冷的中性氫原子氣體(ti) 雲(yun) 團在21厘米波長上吸收，那麽(me) 在源的光譜上就會(hui) 形成一係列密集的21厘米吸收線，這些森林狀的吸收線被形象地稱為(wei) “21厘米森林”。它對於(yu) 小暗暈的尺度很敏感，提供了在宇宙黎明時期探測小至幾千秒差距尺度的獨一無二的手段。

　　如果能夠探測到這樣的21厘米吸收線，那麽(me) 通過對吸收暗線的計數，就可以對暗物質粒子的質量進行限製，從(cong) 而回答暗物質到底是冷還是溫這一基本問題。

　　與(yu) 此同時，“21厘米森林”信號隨氣體(ti) 溫度升高而減弱。實際上，宇宙早期的加熱曆史也是天體(ti) 物理和宇宙學中一個(ge) 基本且未解決(jue) 的問題，它與(yu) 第一代星係的形成有直接的聯係。如果“21厘米森林”信號是可以被探測到的，那麽(me) 它本身也會(hui) 成為(wei) 宇宙加熱曆史的絕佳探針。

　　然而，早期宇宙結構形成的加熱效應會(hui) 輕易抑製“21厘米森林”信號，使探測變得非常具有挑戰性——信號對溫度很敏感，一旦加熱比較嚴(yan) 重，信號就會(hui) 很容易被埋葬到噪聲中，以致於(yu) 很難測到。

　　更棘手的是，暗物質的性質和“宇宙黎明”的加熱過程同時影響信號，二者的效應難以區分。因此，我們(men) 麵對著雙重的難題，一是弱信號如何提取的問題，二是暗物質效應與(yu) 宇宙加熱效應難以區分的問題。

　　該如何來破解這些技術難題呢？有科學家提出用增加觀測時間的方法來解決(jue) 弱信號提取問題。這是因為(wei) ，對於(yu) 明亮的高紅移類星體(ti) ，觀測時間增加到1000小時，非常弱的信號也有可能被提取出來。

　　即便有諸多優(you) 點和不可替代性，“21厘米森林”也是一個(ge) 非常冷門的宇宙學探針。現實中根本不可能有任何射電望遠鏡會(hui) 給這樣一個(ge) 觀測項目如此多的觀測時間。這也是為(wei) 何這一方法被提出20年來還沒有付諸實施的主要原因。

　　3.一石二鳥，我國科學家提出“21厘米森林”觀測新方法

　　不過，東(dong) 北大學和國家天文台的聯合研究組最近在《自然-天文》發表了一項重要成果，解決(jue) 了“21厘米森林”方法麵對的難題，使得這項觀測有潛力同時測量暗物質粒子質量和宇宙黎明的加熱曆史，從(cong) 而幫助闡明暗物質的本質和宇宙第一批星係的性質。

　　這項研究提出了一個(ge) 新穎的統計解決(jue) 方案，通過測量“21厘米森林”的一維功率譜來同時解決(jue) 弱信號提取問題和簡並問題。

　　在頻率空間中，宇宙加熱很容易使信號幅度降低而被埋葬到噪聲中難以探測。但是，信號和噪聲的尺度依賴性是完全不同的，噪聲在不同尺度上沒什麽(me) 差別，而信號代表著不同尺度的結團情況，二者區別明顯。

　　因此，如果實施統計分析，把時間頻率測量轉換為(wei) 空間頻率測量，那麽(me) 在新的空間中信噪比即可顯著提升，而信號的統計特征也可隨之浮現。

　　特別是暗物質效應和宇宙加熱效應對“21厘米森林”統計特征的影響是完全不同的，如此一來，就可以通過該分析同時測量這兩(liang) 種效應。

　　我們(men) 借助高動態範圍的跨尺度建模，模擬了“21厘米森林”的觀測，從(cong) 而進一步利用模擬數據開展貼近實際觀測的數據分析研究。假設一個(ge) 合理的觀測時間，例如100小時，將觀測時間分成兩(liang) 半，兩(liang) 次測量的結果做交叉相關(guan) 。對於(yu) 信號來說，這就是自相關(guan) 測量，而對於(yu) 噪聲來說，交叉相關(guan) 將可對其進行抑製。這樣的測量方法極大地提升了探測的靈敏度。

　　模擬測量的結果表明，通過一維功率譜的幅度和形狀，將可以同時對溫暗物質和宇宙加熱效應進行測量。在宇宙加熱程度不高的情況下，第一階段的SKA低頻陣將可以很好地測量到一維功率譜，而且有能力探測至較小的尺度；在宇宙加熱程度較高的情況下，如果有多個(ge) 背景射電源可用，則用第二階段的SKA低頻陣仍可實現較好的探測。

　　測量“21厘米森林”的一維功率譜不僅(jin) 可提高靈敏度，從(cong) 而使探測成為(wei) 可能，還提供了區分暗物質效應和早期宇宙加熱效應的方法——對於(yu) 暗物質粒子質量的限製，“21厘米森林”在高紅移處提供了一種可行的探測手段，探索了其他觀測無法觸及的尺度和紅移範圍。通過測量宇宙加熱水平，“21厘米森林”提供了限製第一代星係和第一批黑洞特性的方法，從(cong) 而幫助揭示宇宙中第一批發光天體(ti) 的性質。

　　這項研究清晰地展示了“21厘米森林”的一維功率譜確實可以成為(wei) 一石二鳥的宇宙學探針，幫助推進我們(men) 對早期宇宙的理解，並為(wei) 窺探暗物質和第一代星係的奧秘提供了極有前景的新途徑。

　　由於(yu) “21厘米森林”探測的實現與(yu) 高紅移背景射電源的觀測密切相關(guan) ，因此下一步是繼續發展和建設大型射電望遠鏡（如SKA），以提供足夠的靈敏度和角分辨率來觀測高紅移的射電亮源。

　　這一方法的發展對於(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) ，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，進一步拓展對宇宙的認知。

　　（作者：徐怡冬 張鑫，分別係中國科學院國家天文台副研究員、東(dong) 北大學教授）