岳斌｜從黑暗到光明：追尋 130 多億年前宇宙的曙光

文 _ 岳斌（中國科學院國家天文臺）

地球上的一天從黎明開始。

我們身處的宇宙也像這樣，在其138億年的歷史中經歷了“黑暗時代”（Dark Ages）、“宇宙黎明”（Cosmic Dawn）、“宇宙正午”（Cosmic Noon）等階段（圖1），只不過每個階段的時長比例跟地球上的一天不大一樣：黑暗時代大約持續了5000萬年，占整個宇宙年齡的千分之幾；宇宙黎明持續了約4億年，占宇宙年齡的百分之幾；從宇宙黎明結束到宇宙正午開始則經歷了20億至30億年，占宇宙年齡的15%至20%；從宇宙正午結束到現在，經歷了約100億年至110億年，占宇宙年齡的70%至80%。當下宇宙中的恒星形成和黑洞增長活動比起宇宙正午時減弱了不少，但依然非常活躍，可以算是“宇宙下午”（Cosmic Afternoon）。宇宙將來會不會步入“黃昏”呢？現在尚未可知。不過即便會，那段時間也將是極其漫長的。

圖1 宇宙演化歷史上的黑暗時代、宇宙黎明和宇宙正午。原圖出自日本國立天文臺（NAOJ），引自歐洲南方天文臺（ESO）官網

宇宙的黑暗時代并非沒有光，而是處處充滿了大爆炸遺留下來的光子。這些光子的能譜近乎完美地符合黑體輻射，在黑暗時代，它們的峰值波長大致處于近紅外到中紅外范圍。由于宇宙膨脹，其頻率如今已紅移到了微波波段，被稱為“宇宙微波背景輻射”。如果戴上能夠接收所有波長的光的眼鏡，在黑暗時代觀察整個宇宙，看到的將是紅彤彤的一片，幾乎沒有任何結構，不同方向也沒有任何區別。就像當人泡在汪洋大海里時，如果沒有從上空射入的光線造成的明暗差異以及重力造成的上下感知，將完全沒有方向差異（各向異性）的概念。當然，這些背景光子的分布并非絕對均勻的，而是有約十萬分之一程度的差異。這些差異記錄的是今天宇宙中形形色色的結構的起源的信息，具有重要的科學價值。不過，從視覺上來看，這時的宇宙還比較“乏味”。而這一切隨著宇宙中最早的發光天體——第一代恒星的誕生而改變！

宇宙中的物質分為暗物質和普通物質，它們都有萬有引力，但暗物質沒有壓強，普通物質有壓強，與氣體類似，因此宇宙學中往往把普通物質稱為“氣體”。暗物質和氣體的分布都是不均勻的，有的地方密度高，有的地方密度低，這種不均勻性在宇宙誕生的時候就存在了。在之后的演化過程中，由于引力的作用，不均勻性逐漸變大，暗物質結成大大小小的團塊，被稱為“暗物質暈”。暗物質暈之間通過纖維狀結構連接起來，這些纖維狀結構相互交錯，形成宇宙網。氣體的情況則有所不同，因為氣體有壓強，可以對抗引力，因此開始并不像暗物質那樣可以自然結團，必須在暗物質的幫助之下才能聚集，進而形成恒星、星系等。在宇宙年齡約5000萬年的時候，第一代恒星就形成于暗物質暈里。暗物質暈里的物質密度較高，因此引力勢阱很深，就像陷阱一樣把旁邊的氣體捕獲并束縛在里面，使之再也無法逃逸。這些氣體在暗物質暈里通過原子或分子的碰撞激發，進而輻射冷卻，逐漸往中間收縮。伴隨著收縮，其密度和溫度都越來越高，最終觸發核反應，形成第一代恒星并開始發光。這是宇宙中最早的來自天體的光，是宇宙的晨曦。自此，宇宙進入黎明時期，開始變得“熱鬧”起來，如同進入春天一樣，萬物萌發，各種天體逐漸形成。

第一代恒星誕生后又過了些時間，第一代星系開始形成，第一代黑洞也在這期間形成——這些黑洞作為種子逐漸成長為我們現在觀測到的超大質量黑洞。這個熱鬧的場景一直持續到宇宙年齡約為20億年至30億年的時候，這時正值宇宙正午。當然，這些恒星的形成都發生在暗物質暈內部，而一般不會發生在聯結暗物質暈的纖維狀結構和空曠的空間里。恒星形成的頂峰時期就是宇宙正午，之后，宇宙的恒星形成率開始走低，一直到現在，宇宙中平均每100億億立方光年里，每年可以形成的恒星質量約為太陽質量的千分之五。

跟大爆炸遺留的、遵從黑體輻射規律且幾乎均勻分布的背景光子不同，各種天體的輻射非常豐富，波長范圍覆蓋了最低頻的射電和最高頻的伽馬射線，而且具有豐富的結構。上述那段波瀾壯闊的宇宙演化歷史，除了最開始的黑暗時代和宇宙黎明，基本已經被觀測所證實。黑暗時代和宇宙黎明之所以難以觀測，除了這個時候沒有天體或者天體非常稀少，更因為形成時間越早的天體距離我們越遠，所以當用望遠鏡觀測宇宙時，它們顯得更黯淡。

而21厘米譜線給我們帶來了新的觀測機會！宇宙中最簡單也最豐富的元素就是氫，氫原子的很多譜線（如Lyα和Hα）都是天文學上探測天體的重要探針，其中，在射電波段，來自氫原子的超精細能級躍遷產生的頻率為1420兆赫（MHz）、波長約為21厘米的譜線是絕對的主力。形成時間越早的源，其21厘米譜線到今天就會被紅移到更長的波長范圍——來自宇宙黎明時期的21厘米譜線今天就是米波到10米波。同時，譜線的頻率和宇宙的時間也可一一對應，21厘米信號的頻譜實際就是宇宙的歷史時間線。

21厘米信號取決于氫原子的自旋溫度，而這一溫度取決于大爆炸遺留的背景輻射和氣體之間的“拉扯”（圖2）——雙方都想把自旋溫度變成跟自己的一樣。在黑暗時代，背景輻射通過散射使氫原子的自旋溫度接近自己的溫度，一旦二者等同，人們就測不到21厘米信號了。幸好有氣體通過碰撞使得氫原子的自旋溫度離開背景輻射并接近自己的溫度，而氣體的溫度又比背景輻射低，使得21厘米信號呈現吸收的狀態，不至于消失。不過，隨著宇宙膨脹，氣體的密度逐漸降低，碰撞的效率越來越低，21厘米信號也逐漸減弱。到了黑暗時代的末期，21厘米信號基本消失。

圖2 氣體溫度和背景輻射溫度對自旋溫度的影響，二者的競爭像是一場拔河。圖片由本文作者繪制

幸運的是，在宇宙黎明時期，借助第一代恒星發出的Lyα光子，氣體又可以通過散射的方式使氫原子的自旋溫度更高效地接近其溫度。此時氣體的溫度還顯著低于背景輻射的溫度，且隨著宇宙膨脹持續降低，21厘米信號再次呈現為吸收信號，且越來越強。直到來自第一代恒星和星系的X射線開始加熱氣體，使得氣體溫度升高并最終超過背景輻射的溫度，21厘米信號的吸收信號才又開始減弱，最終變為發射信號。從頻譜上看，伴隨著第一代恒星和星系的出現，21厘米信號上出現了一個很深的“吸收槽”，深度可達約200mK。這個吸收槽出現和消失的時刻（對應的頻率范圍約為50兆赫至100兆赫）、寬度、深度以及形狀跟第一代恒星和星系的性質密切相關。類似第一代恒星到底是不是幾百乃至上千倍太陽質量的巨人，以單胞胎還是多胞胎形式誕生等問題的答案，可能就隱藏在21厘米信號的這個吸收槽里。

如果單純從信號感應的角度考慮，測量宇宙黎明時期的21厘米信號其實并不難，一個類似老式收音機的拉桿天線（偶極子天線）足矣。不過實際的測量卻并不容易。銀河系和河外星系的輻射被稱為“前景”，它們跟21厘米信號混在一起，但比21厘米信號強十萬倍以上。要從這樣強的前景中把21厘米信號提取出來并非易事。為了能夠提取信號，實際測量中要求儀器有很寬的頻率響應范圍。因此，實際使用的天線的形狀都是經過特殊設計的，且天線后端須有很復雜的高精度定標的電路。

21厘米信號之所以難以探測，除了因為它比前景弱得多，需要用復雜的算法提取，還因為這一頻率的信號非常容易受地球電離層的影響而產生扭曲，同時由于這一頻率范圍也是人類電視、廣播等活動使用的頻率，因此會受到強烈的人工信號的干擾。為了避免這些影響，尋找優良的探測環境，人們把目光瞄準了月球。月球上不受地球電離層的影響。此外，由于潮汐鎖定的效應，月球正面始終朝向地球，背面始終背向地球，可以利用其巨大的體積擋住來自地球的人工信號的干擾，使得其背面成為探測21厘米信號的理想場所。目前，中國、美國、日本、印度等國都有發射探測器到月球、在月球背面探測21厘米信號的計劃。樂觀來看，在未來幾年之內，人類有望從月球首次聽到來自宇宙黎明的音訊！

除了提供宇宙在黎明時期的演化信息，21厘米信號的各向異性還提供了更豐富的細節，比如第一代恒星會在怎樣的暗物質暈內形成。我們知道，暗物質暈需要捕獲氣體才能形成第一代恒星，但是這些氣體卻不那么容易捕獲，受暗物質跟氣體之間的相對速度的影響，相對速度越大，氣體就越難捕獲。也就是說，在宇宙中氣體和暗物質相對速度大的區域，暗物質暈比較難捕獲氣體，第一代恒星難以形成，21厘米信號較少受第一代恒星的影響，其吸收槽產生的時間就比較晚；而在那些氣體和暗物質相對速度較小的區域，第一代恒星較容易形成，21厘米信號比較容易受到第一代恒星的影響，更早出現吸收槽。顯然，如果把同一時刻不同位置（方向）的21厘米信號測量出來，其差異就反映了氣體和暗物質之間的相對速度的分布對第一代恒星的影響，這是非常寶貴的信息。此外，這也能反映第一代恒星的Lyα輻射和X射線的發射和傳播特征。

在氣體和暗物質的相對速度的影響下，21厘米信號的空間分布具有典型的振蕩特征，且這種振蕩在約4億光年的尺度上關聯最強，也就是說，當把宇宙劃分成一個個4億光年大小的格子，格子之間的速度差異最大。然而，第一代恒星并不只受氣體和暗物質的相對速度的影響，也受宇宙中物質密度的影響，物質密度大的區域，恒星形成率高，反之則低。此外，Lyα輻射和X射線有一定的可以幾乎自由傳播的范圍，在這個范圍內的21厘米信號的差異可以被抹平。因此，最終21厘米信號的空間分布特征是由氣體和暗物質的速度、密度、Lyα輻射和X射線的傳播共同決定的，也因此包含了更多的信息（圖3）。

圖3 對宇宙黎明時期的21厘米信號的空間分布的模擬圖（左），以及表現其特殊的空間分布特征的功率譜的振蕩成分。圖片由本文作者繪制

測量宇宙黎明的21厘米信號的功率譜（用以描述信號的空間分布特征，表示不同尺度模型的信號漲落的強度）比測量其整體的頻譜更加復雜，僅用簡單的單天線難以做到，需要用到巨大的干涉陣列。這樣的干涉陣列分布范圍達方圓數公里，有成百上千個干涉單元，每個干涉單元又由數百個單天線組成。比如，由多國聯合建造的大科學裝置“平方公里陣列望遠鏡低頻陣列”（SKA-Low），它位于澳大利亞遠離人煙的沙漠之中，建成之后，將和位于南非的“平方公里陣列望遠鏡中頻陣列”（SKA-Mid）一起成為世界上最大的射電望遠鏡，會是測量21厘米信號的最強有力的工具之一。

正如黎明雖然只是地球上一天中一段短暫的時期，卻意味著光明的開始，宇宙黎明在138億年的宇宙演化歷史中只是一瞬，但就是在這段短暫的時期內，宇宙走出黑暗、步入光明，自此以后，宇宙的演化和天體的演化相伴隨。目前雖然還沒有探測到宇宙黎明的信號，但我們相信，信使就隱藏在黑暗（噪聲和干擾）之中。或許不過十年，借助21厘米信號這一信使，我們就能夠清晰地聽到來自宇宙黎明的音訊！

（原載于《信睿周報》第153期）