四年过去了，我们依然没有找到宇宙的黎明

图片来源：ESA/Christophe Carreau/Science Source

撰文｜本·布鲁贝克（Ben Brubaker）

编译｜郑昱虹

审校｜王昱

宇宙黎明的印记

宇宙大爆炸发生后，氢原子最初形成时以相同的速率吸收并发射波长21厘米的辐射。所以，充满原始宇宙的氢云团实际上是不可见的。

之后，第一批恒星诞生，宇宙的黎明来临。恒星发出的紫外线激发电子跃迁，使氢原子吸收的21厘米射电波比它们发射的更多。由于这种现象，我们能从地球上看到的电磁波强度会在某个频率下降，它标志着宇宙中第一批恒星点亮的时刻。

随着时间推移，第一批恒星坍缩成黑洞。炙热的气体围绕黑洞旋转产生X射线，加热整个宇宙的氢云团，增加了21厘米波的发射速率，稍短波长的射电波强度提升。因此，最终的结果将是，我们会在一个狭窄的无线电波长范围内，观测到电磁波强度下降。

射电波在到达地球的过程中会被宇宙膨胀所拉伸。来自更遥远的氢云团的波相比来自更近的氢云团的波被拉伸的时间更长，因此到达地球时的波长会更长，这为天文学家提供了宇宙历史事件的时间戳记录。

半个多世纪以来，天文学家一直通过波长21厘米的电磁波研究附近的星系。现在，通过一些设计巧妙的仪器，宇宙黎明时期的氢云团发出的电磁波也成为了天文学家们寻找的目标。

凹陷与平滑的光谱

2018年，位于澳大利亚腹地的EDGES天线观测到来自宇宙的射电波在4米波长左右强度减弱。这项成果登上了《自然》杂志，被视为关于宇宙黎明的突破性发现。

EDGES 天线，位于澳大利亚西部腹地。（图片来源：LoCo Lab）

不过有意思的是，EDGES所观测到的射电波强度减弱与宇宙学家的预测有显著差异，波谷的形状和出现时间都与预期不符。EDGES的数据表明，第一批恒星出现的时间出人意料地早，X射线很快就涌入了宇宙；更奇怪的是，早期宇宙中的氢比理论模型预测的更冷。

世界各地的天文学家由此提出了许多理论猜想，比如认为这是由于充满宇宙的暗物质产生的奇异作用。同时，天文学家们也在并试图证实EDGES所检测到的信号的真实性。

2020年初，印度拉曼研究所（Raman Research Institute）的天文学家在印度的一对偏远湖泊上安装了SARAS天线，以寻找EDGES所观测到的射电波减弱现象。今年2月，研究团队在《自然·天文学》上报告了他们的结论：他们在4米波长附近测量得到了一个平滑的谱，没有观测到EDGES报告的现象。

加利福尼亚大学伯克利分校的射电天文学家亚伦·帕森斯（Aaron Parsons，没有参与上述的两项研究）说：“如果太空中真的存在这个信号，我们应当能重复观测到它。”

从未看到过的黎明？

或许，EDGES的观测结果有一个更平淡的解释。

氢原子从宇宙的黎明时代发出21厘米的电磁波辐射，到达地球时波长为数米。这与FM广播和电视的波长范围重叠，容易被无线电干扰所掩盖，这也是为什么EDGES需要在那么偏远的地方运行。不仅如此，这个信号还被银河系亮数千倍的射电信号淹没，而且在通过地球大气层上层时被扭曲。

同样重要的还有设备本身产生的细微影响。射电天线环境的扰动可以轻微地改变其观测的夜空区域。在如此精确的实验中，即使是几十米外的表面发生的微弱的反射也会产生影响。这种反射的效果可能在特定的射电波长上增强，导致天线的观测区域在不同波长上有微小的不同，从而使不同波长下的射电波强度发生变化。

EDGES团队确实在他们的数据中看到了这种波动，而罪魁祸首或许是一块30米宽的金属板的边缘，这块金属板被铺设在天线周围的地面上，以阻挡地面本身的发射的无线电波。研究团队在分析数据时，已经为可能存在的反射进行了修正，但当时有一些天文学家指出，如果修正稍有偏差，就可能造成一个在狭窄的波长范围内射电波强度下降的信号，与真正的宇宙黎明信号无法区分。

更精密的实验

SARAS团队为了追求在所有波长上更均匀的灵敏度，采用了一种不同的方法来设计天线。SARAS论文的主要作者苏拉布·辛格（Saurabh Singh）表示，整体的设计原则就是维护光谱的平滑性。

科学家们把铝制的锥形锥天线放在泡沫塑料板做成的小筏上，使其漂浮在平静的湖面中央，以确保在任何水平方向上100米内都不会有反射。帕森斯称这个方法非常巧妙且新颖。

此外，水中光速的减慢也削弱了来自湖底的反射的影响。并且，密度均匀的水体使实验环境更容易建模。

漂浮在湖面上的SARAS 天线，位于印度。（图片来源：Saurabh Singh）

最终，SARAS而没有观测到EDGES所报告的射电波强度减弱的迹象。这种现象是否真实存在还有待确定。帕森斯强调，SARAS团队需要做更多的工作来阐释测量结果的细微之处。

亚利桑那州立大学的EDGES实验负责人贾德·鲍曼（Judd Bowman）认为，仍需要进一步的研究以解决这个问题。他在电子邮件中写道：“我们很高兴看到他们的初步观测结果。考虑到进行这类观测的难度，评估这项新成果并将其纳入正在进行的调查还有很长的路要走。”

加拿大麦吉尔大学（McGill University）的射电天文学家H·辛西娅·蒋（H. Cynthia Chiang，没有参与这两个实验）表示，EDGES和SARAS的校准和分析步骤都做得非常缜密，所以现在判断哪个结果是正确的还为时过早。“二者的分歧令人无法忽视，事情远没有结束。在我看来，这反而令人兴奋。”

蒋正在领导另一项名为PRIZM的后续实验，该实验将在南非以南1000千米外的一个小岛上进行。在那里几乎不存在任何无线电干扰，而这正是SARAS面对的主要挑战。

帕森斯预计SARAS的零结果将是最后的赢家。果真如此的话，这可能意味着宇宙黎明发出的信号太微弱，以至于目前的仪器无法识别。但帕森斯也表示，这不会抹去EDGES的巨大创新对这一领域的推动作用。

原文链接：

https://www.quantamagazine.org/in-new-experiment-astronomers-see-no-sign-of-cosmic-dawn-20220228/