宇宙的脈絡(luò)：中性氫

宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)的形成和演化由暗能量和暗物質(zhì)主導(dǎo)，而恒星與星系主要由重子構(gòu)成， 其中最多的是氫元素。作為宇宙中豐度最高的元素，氫以不同狀態(tài)存在于從早期宇宙到現(xiàn)代宇宙的各個時期。在這些狀態(tài)中，中性氫(neutral Hydrogen,HI)扮演著獨特的角色，它不僅是恒星與星系形成的原料，也是描繪宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的重要示蹤物。通過HI的 21 厘米射電信號，天文學(xué)家得以窺探從黑暗時代到現(xiàn)代宇宙的演化脈絡(luò)，從而深入理解星系形成機(jī)制、宇宙結(jié)構(gòu)與演化等科學(xué)問題。

什么是中性氫

氫是宇宙中最簡單、最豐富的元素，約占當(dāng)前宇宙重子物質(zhì)的75%。宇宙中的氫元素以多種狀態(tài)存在：分子氫（molecular hydrogen, H2）、電離氫（ionized hydrogen atom, HII）以及中性氫（HI）。其中，中性氫是指電子仍然束縛在原子核周圍、未被電離的氫原子，它們廣泛存在于星系盤面、星系周圍氣體以及宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中，成為研究星系形成、宇宙結(jié)構(gòu)及早期演化的重要手段。

超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷是中性氫的重要物理特性之一。在氫原子基態(tài)中，質(zhì)子和電子的自旋可以平行或反平行。在從平行的高能態(tài)躍遷到反平行的低能態(tài)的過程中，中性氫原子會釋放一個頻率為 1420.406 MHz的光子，對應(yīng)波長約為 21 厘米，這就是著名的 21 厘米線。盡管單個氫原子的躍遷概率極低（約2.9×10?15 s?1），但宇宙中巨大的中性氫含量使其總體輻射強度足以被射電望遠(yuǎn)鏡探測。1944年，荷蘭天文學(xué)家范德胡斯特（H.C. Van de Hulst）首次預(yù)言可以在銀河系中觀測到中性氫的21厘米譜線，這在1951年被哈佛大學(xué)的艾文（Harold Ewen）和珀塞爾（Edward Purcell）利用一個號角形天線的觀測證實。自此，射電天文譜線研究進(jìn)入了一個全新的時代。

圖1：中性氫原子產(chǎn)生21厘米輻射（來自維基百科）

觀測宇宙中的中性氫，就像聆聽它的兩種“聲音“，一種是主動的“凸”音（發(fā)射線），一種是被動的“凹“音（吸收線）。當(dāng)HI 氣體云孤立存在時，它會自發(fā)地“唱出”21厘米波長的射電輻射，其可以用來測繪星系和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中的物質(zhì)分布。而當(dāng)它飄過類星體或射電星系等明亮背景源前方時，則會“吸收” 特定頻率的光，在背景源的光譜上留下獨特的指紋——吸收線。這道指紋的深度、寬度和形狀能夠提供氣體的柱密度、溫度和動力學(xué)等信息。

更為奇妙的是，由于宇宙膨脹的“拉伸”效應(yīng)，這些來遙遠(yuǎn)的“聲音”會發(fā)生紅移，波長變長。這意味著，測量不同頻率處的HI信號，就像是在對不同紅移的宇宙進(jìn)行“CT分層”掃描。正是這一特性， HI也因此成為少數(shù)能夠在極高紅移追蹤宇宙結(jié)構(gòu)和演化的探針。通過紅移的 21 厘米信號，我們可以構(gòu)建三維的中性氫分布天圖，并利用它探索從宇宙黑暗時代到現(xiàn)代的星系形成與宇宙演化過程。

中性氫的角色與作用

中性氫在宇宙的不同尺度上都扮演著多重角色，其影響從星系內(nèi)部一直延伸到宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。在星系內(nèi)部，它是恒星誕生的“搖籃”與“糧倉”。彌漫的中性氫通過冷卻和引力坍縮，形成致密的分子氫云，最終孕育出新恒星。因此，一個星系中的中性氫含量直接關(guān)乎其造星運動的興衰。更引人入勝的是，通過分析HI的21厘米譜線，天文學(xué)家繪制出了星系的旋轉(zhuǎn)曲線，并驚人地發(fā)現(xiàn)：星系外圍的旋轉(zhuǎn)速度并未隨半徑增加而下降。這一現(xiàn)象如同看不見的手在施加引力，成為了暗物質(zhì)存在的“鐵證”之一。不僅如此，環(huán)繞在星系周圍的、更為彌散的中性氫（即環(huán)星系介質(zhì)，circumgalactic medium; CGM）構(gòu)成了星系與宇宙網(wǎng)進(jìn)行物質(zhì)交換的關(guān)鍵區(qū)域，是星系持續(xù)增長所需氣體的主要來源。

圖2：M81星系群的光學(xué)和HI觀測圖像對比（來自NRAO）

在百萬秒差距（1秒差距=3.26光年）及更廣闊的宇宙學(xué)尺度上，由星系團(tuán)、纖維狀結(jié)構(gòu)（filament）和空洞（void）構(gòu)成了“宇宙網(wǎng)”（cosmic web）。中性氫的分布與暗物質(zhì)的引力勢阱緊密相關(guān)，能夠有效勾勒出這一物質(zhì)分布的脈絡(luò)。近年來興起的 21 厘米強度映射（intensity mapping [1]）技術(shù)，通過測量一定體積內(nèi)中性氫輻射的總強度，可以高效地構(gòu)建物質(zhì)分布的三維天圖。與傳統(tǒng)的星系巡天不同，強度映射無需分辨單個星系，而是直接利用整體亮度起伏來重建大尺度結(jié)構(gòu)，不必受限于射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率。這種觀測方法的核心科學(xué)目標(biāo)之一是測量重子聲波振蕩（Baryonic Acoustic Oscillation, BAO）。BAO是早期宇宙聲波在物質(zhì)分布上留下的一個特征尺度，堪稱宇宙學(xué)中的“標(biāo)準(zhǔn)尺”。通過在不同紅移處測量BAO的尺度，可以精確地刻畫宇宙膨脹歷史，從而對暗能量的性質(zhì)施加嚴(yán)格的限制。與光學(xué)巡天不同，HI 巡天能夠快速提供連續(xù)的三維信息（即角向位置和徑向紅移），尤其在中高紅移階段成為追蹤物質(zhì)分布隨時間演化的獨特工具。

圖3：模擬的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)（來自維基百科）

在宇宙復(fù)合之后、第一代天體誕生之前的黑暗時代（Dark Ages，z ≈ 1100 - 30），彌漫的中性氫充斥于宇宙介質(zhì)中，并隨著宇宙的膨脹而逐漸冷卻。當(dāng)?shù)谝淮阈?、星系和黑洞在物質(zhì)密度較高的暗暈中形成，宇宙進(jìn)入黎明時期（Cosmic Dawn，z ≈ 30 - 15），這些第一代發(fā)光天體釋放的紫外輻射逐漸將周圍氣體電離。隨著越來越多星系形成，宇宙進(jìn)入再電離時期（Epoch of Reionization，EoR，z ≈ 15 - 6），在這一階段，星系周圍的大部分中性氫逐漸被電離，形成一個個電離泡并相互并合，中性氫的21 厘米信號也隨之減弱。整個過程中，中性氫整體的亮溫度在不同階段具有不同的吸收或發(fā)射特征[2]，記錄了從黑暗時代到宇宙黎明、再電離的物理圖景，是探索早期宇宙演化的獨特窗口。

圖4：中性氫21厘米亮溫度隨時間的演化 [2]

中性氫觀測前沿

在過去幾十年里，中性氫的觀測不斷推動著星系和宇宙學(xué)研究的進(jìn)展，不同類型的射電望遠(yuǎn)鏡在這一領(lǐng)域發(fā)揮著互補的作用。

大型單口徑望遠(yuǎn)鏡在靈敏度方面具有顯著優(yōu)勢，如美國的GBT（100米）、Arecibo（305米，已倒塌），澳大利亞的Parkes（64米），德國的Effelsberg（100米）等，長期以來在中性氫巡天和精細(xì)光譜測量中發(fā)揮了重要作用。我國的五百米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST [3]）作為目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，也正在開展一系列中性氫相關(guān)的大型觀測項目，并且已經(jīng)獲得諸多突破性成果。比如，F(xiàn)ASHI （FAST All Sky HI survey [4]）旨在利用FAST開展大面積星系巡天，已發(fā)布目前世界上最大的中性氫星系樣本，并且仍在進(jìn)行持續(xù)的搜尋；CRAFTS（The Commensal Radio Astronomy FAST Survey [5]）采用了創(chuàng)新性的高頻噪聲校準(zhǔn)模式，可以兼顧譜線巡天和脈沖星觀測，實現(xiàn)多科學(xué)目標(biāo)的同時探索；FATHOMER（FAst neuTral HydrOgen intensity Mapping ExpeRiment [6]）作為FAST中性氫強度映射巡天的先導(dǎo)觀測項目，已完成針對FAST漂移掃描巡天的數(shù)據(jù)處理管線開發(fā)，并且在系統(tǒng)效應(yīng)、波束建模、星系探測等方面進(jìn)行了細(xì)致分析；FEASTS（FAST Extended Atlas of Selected Targets Survey [7]）與其他干涉陣列的觀測相結(jié)合，全面測繪近鄰星系盤面及其周圍彌散的HI；M31暈區(qū)深度巡天項目[8]重點研究仙女座星系M31周圍的中性氫分布和性質(zhì)；FUDS（FAST Ultra-Deep Survey [9]）則是聚焦小天區(qū)的超深場巡天，將中性氫星系的觀測延伸到更高的紅移。

圖5：FAST （國家天文臺供圖）

相比之下，干涉陣列通過多天線協(xié)同觀測，在角分辨率上具備天然優(yōu)勢，能夠清晰地繪制星系及其環(huán)境的空間結(jié)構(gòu)。正在建設(shè)的平方公里陣列（Square Kilometer Array, SKA [10]）具有極高的分辨率和靈敏度，將把HI 探測能力推向新高：SKA低頻陣（SKA-Low）面向宇宙黎明與再電離時期的 21 厘米功率譜與成像，而中頻陣（SKA-Mid ）則聚焦中低紅移的 HI星系與大尺度巡天，兩者結(jié)合有望實現(xiàn)從早期宇宙到低紅移宇宙的連續(xù)覆蓋，并對 BAO、紅移空間畸變1（Redshift-space Distortion, RSD） 等宇宙學(xué)信號進(jìn)行精確測量，增強對宇宙學(xué)參數(shù)和暗能量性質(zhì)的約束。作為SKA的先導(dǎo)性設(shè)備，MeerKAT 已在中性氫宇宙學(xué)等方面取得了重要成果[11][12][13]；而 HERA [14]等低頻陣列則通過密集排布的小天線優(yōu)化了對再電離時期弱 21 厘米信號探測的靈敏度。這些觀測將為理解近鄰宇宙、宇宙黎明與再電離時期的物理過程提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

圖6：SKA中頻陣（左）與低頻陣（右）藝術(shù)想象圖（來自SKAO）

對于較高紅移的21厘米探測，還存在另一類獨特的嘗試，即通過全天頻譜（Global Spectrum）實驗直接測量全天平均的 21 厘米亮溫度隨紅移的演化。美國的 EDGES 實驗曾聲稱探測到宇宙黎明時期的吸收信號[15]，引發(fā)了廣泛關(guān)注，但SARAS的后續(xù)觀測結(jié)果對這一信號提出了質(zhì)疑[16]。我國的 “鴻蒙”繞月超長波衛(wèi)星陣列[17]也計劃開展類似探索。若能克服極強前景、電磁干擾和系統(tǒng)效應(yīng)的影響，這類實驗將為我們直接描繪從黑暗時代到宇宙黎明的演化提供關(guān)鍵線索。

圖7：鴻蒙超長波陣列藝術(shù)想象圖（來自陳學(xué)雷研究員）

由于21厘米信號本身非常微弱，而銀河系同步輻射、自由-自由輻射和河外射電源等前景比信號高出4到5個數(shù)量級，使得觀測宇宙學(xué) HI 信號面臨巨大挑戰(zhàn)。盡管可以利用前景成分在頻譜上的平滑性將其分離出來，但波束旁瓣、極化泄漏、1/f 噪聲等系統(tǒng)效應(yīng)會給前景去除帶來更多的復(fù)雜性，也會影響宇宙學(xué)測量精度。前沿的數(shù)據(jù)處理方法仍在不斷涌現(xiàn)，以從復(fù)雜的數(shù)據(jù)中提取微弱 HI 信號，為未來高精度的中性氫宇宙學(xué)測量提供了可能。

未竟的探索

盡管中性氫研究已取得顯著進(jìn)展，許多關(guān)鍵科學(xué)問題依然懸而未決：第一代恒星和星系何時以及如何形成？宇宙再電離的詳細(xì)過程是怎樣的？暗能量的本質(zhì)是什么？星系的氣體如何流入和流出？此外，高精度的21厘米宇宙學(xué)觀測還可能為檢驗新物理理論提供線索，例如，暗物質(zhì)的衰變或湮滅過程可能會向早期宇宙注入額外能量，從而在21厘米信號上留下可觀測的印記，幫助我們理解和約束暗物質(zhì)的性質(zhì)。

從單個氫原子的自旋躍遷，到星系旋轉(zhuǎn)盤面，再到宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，中性氫承載了豐富的信息。它不僅是星系形成的前驅(qū)物質(zhì)，也是宇宙演化的見證者和宇宙學(xué)研究的關(guān)鍵示蹤物。隨著觀測設(shè)備和分析方法的進(jìn)步，我們堅信來自宇宙不同時期的21厘信號探測的“黎明時期”即將到來，這一時刻必然像宇宙微波背景各向異性、引力波等的探測一樣在天體物理研究領(lǐng)域引起巨大轟動，21厘米宇宙學(xué)研究的黃金時期也會隨之而來。

注釋：

1. 紅移空間畸變：觀測宇宙學(xué)中的一種效應(yīng)。由于我們通常利用星系的紅移推算其距離，而紅移中既包含了宇宙膨脹的速度，也包含了星系自身的‘本動速度’。因此，在紅移空間中看到的星系分布會因其本動速度而發(fā)生扭曲。

參考文獻(xiàn)

[1]Chang, T.-C., Pen, U.-L., Peterson, J. B., & McDonald, P. Baryon Acoustic Oscillation Intensity Mapping of Dark Energy, 2008, Phys. Rev. Lett., 100, 091303

[2]Pritchard J. R., Loeb A., 21 cm cosmology in the 21st century, 2012, Rep. Prog. Phys., 75, 086901

[3]Nan, R., Li, D., Jin, C., et al. The Five-Hundred Aperture Spherical Radio Telescope (fast) Project, 2011, IJMPD, 20, 989

[4]Zhang, C.-P., Zhu, M., Jiang, P., et al. The FAST all sky H I survey (FASHI): The first release of catalog, 2024, SCPMA, 67, 219511

[5]Li, D., Wang, P., Qian, L., et al. FAST in Space: Considerations for a Multibeam, Multipurpose Survey Using China's 500-m Aperture Spherical Radio Telescope (FAST), 2018, IMMag, 19, 112

[6]Li, Y., Wang, Y., Deng, F., et al. FAST Drift Scan Survey for HI Intensity Mapping: I. Preliminary Data Analysis, 2023, ApJ, 954, 139

[7]Wang, J., Lin, X., Yang, D., et al. FEASTS Combined with Interferometry. I. Overall Properties of Diffuse H I and Implications for Gas Accretion in Nearby Galaxies, 2024, ApJ, 968, 48

[8]Zhang, W., Sun, X., Wang, J. New Continuum Observations of the Andromeda galaxy M31 with FAST, 2023, RAA, 23, 115022

[9]Xi, H., Peng, B., Staveley-Smith, L., For, B.-Q., & Liu, B. The FAST Ultra-Deep Survey (FUDS): Observational strategy, calibration and data reduction, 2022, PASA, 39, e019

[10]Dewdney, P.E.,Hall,P.J.,Schilizzi, R.T.,&Lazio, T.J.L.W.The Square Kilometre Array, 2009, IEEEP, 97,1482

[11]Cunnington, S., Li, Y., Santos, M.G., et al. HI intensity mapping with MeerKAT: power spectrum detection in cross-correlation with WiggleZ galaxies, 2023, MNRAS, 518, 6262

[12]MeerKLASS Collaboration, Barberi-Squarotti, M., Bernal, J. L., et al. MeerKLASS L-band deep-field intensity maps: entering the H I dominated regime, 2025, MNRAS, 537, 3632

[13]Paul, S.,Santos, M.G.,Chen, Z., & Wolz, L. A first detection of neutral hydrogen intensity mapping on Mpc scales at z ~ 0.32 and z ~ 0.44, 2023, arXiv:2301.11943

[14]HERA collaboration, Improved Constraints on the 21 cm EoR Power Spectrum and the X-Ray Heating of the IGM with HERA Phase I Observations, 2023, ApJ. 945, 124

[15]Bowman J. D., Rogers A. E. E., Monsalve R. A., Mozdzen T. J., Mahesh N., An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum, 2018, Nature, 555, 67

[16]Singh S. et al., On the detection of a cosmic dawn signal in the radio background, 2022, Nat. Astron., 6, 607

[17]陳學(xué)雷，閻敬業(yè)，徐怡冬 等. 宇宙黑暗時代探路者?鴻蒙計劃，空間科學(xué)學(xué)報，2023，43：43

作者簡介

楊文秀，中國科學(xué)院國家天文臺博士研究生，主要研究方向包括中性氫宇宙學(xué)、射電望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)處理、暗物質(zhì)間接探測等。

王有剛，中國科學(xué)院國家天文臺研究員，主要從事宇宙大尺度結(jié)構(gòu)、星系動力學(xué)、星系形成與演化等方面的研究。

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