来自宇宙“黑暗时代”终结的120亿年前的信号

今天，繁星填满了夜空。但是，当宇宙还处于初级阶段时，它根本没有恒星。一个国际科学家团队比以往任何时候都更接近于探测、测量和研究这个时代的信号，自从那个没有恒星的时代在大约130亿年前结束以来，这个信号一直在宇宙中传播。该团队由华盛顿大学(University Of Washington)、墨尔本大学(University Of Melbourne)、科廷大学(Curtin University)和布朗大学(Brown University)的研究人员领导，去年在“天体物理杂志”(AstroPhysical Journal)上报告称，他们已经将Murchison Widefield阵列收集的无线电发射数据提高了近10倍。研究小组成员目前正在搜寻这架位于偏远西澳大利亚的射电望远镜的数据，以寻找来自我们宇宙中这个知之甚少的信号的警示信号。

威斯康星大学物理学教授、团队成员米格尔·莫拉莱斯说：“我们认为，这个时代的宇宙属性对第一批恒星的形成产生了重大影响，并启动了今天宇宙的结构特征。”那个时代物质在宇宙中的分布方式很可能决定了今天星系和星系团的分布方式。

在这个黑暗时代之前，宇宙是炎热而稠密的。电子和光子有规律地相互缠绕，使宇宙变得不透明。但当宇宙的年龄不到一百万年时，电子-光子相互作用就变得罕见了。不断膨胀的宇宙变得越来越透明和黑暗，开始了它的黑暗时代。

没有恒星的时代持续了数亿年，在此期间，中性的-没有全面的电荷-主导了宇宙。

莫拉莱斯说，在这个黑暗的时代，我们当然没有基于光的信号可以研究来了解它--没有可见光！但是有一个特定的信号我们可以寻找。它来自所有的中性氢。我们从未测量过这个信号，但我们知道它就在那里。它很难探测到，因为在这个信号发出后的130亿年里，我们的宇宙变得非常忙碌，充斥着来自恒星、星系甚至我们的技术的其他活动，这些活动淹没了来自中性氢的信号。

莫拉莱斯和他的团队寻找的130亿年前的信号是电磁波发射，中性氢在21厘米的波长上发射。自那时以来，宇宙一直在膨胀，将信号延伸到近2米。

莫拉莱斯说，这个信号应该包含关于黑暗时代和结束它的事件的信息。

当宇宙只有10亿岁的时候，氢原子开始聚集并形成第一批恒星，结束了黑暗时代。来自第一批恒星的光开启了一个新纪元-再电离时代-来自这些恒星的能量将大部分中性氢转化为电离等离子体。直到今天，等离子体仍然主导着星际空间。

莫拉莱斯说，再电离时代和之前的黑暗时代是理解我们的特征的关键时期，比如为什么我们有一些区域充满星系，而另一些区域相对空旷，物质的分布，甚至可能是暗物质和暗能量。

Murchison阵列是团队的主要工具。这架射电望远镜由4096个偶极天线组成，可以捕捉到像中性氢的电磁特征这样的低频信号。

但是这些低频信号很难探测到，因为来自宇宙中其他来源的电磁噪声，包括星系和人类活动。莫拉莱斯和他的同事们已经开发出越来越复杂的方法来过滤这种噪音，并使它们更接近那个信号。2019年，研究人员宣布，他们已经从超过21个小时的Murchison Array数据中过滤出了电磁干扰-包括来自我们自己的无线电广播的电磁干扰。

往前看，该团队有大约3000小时的射电望远镜收集的额外排放数据。研究人员正试图过滤掉干扰，并更接近那个难以捉摸的信号-以及它可以照亮的黑暗时代。更多信息：W.Li等人。第一季MWA第二阶段的再电离功率谱结果在红移7，天体物理杂志(2019年)。网址：10.3847/15384357/ab55e4