由于下一代望远镜和科学合作，如今天文学的前沿正在不断推进。 即便如此，天文学家仍在等待揭开宇宙的面纱”黑暗时代”，它持续了大爆炸后大约 370,000 到 10 亿年，当时宇宙被遮光的中性氢所笼罩。 在同一时期（大约 100 到 5 亿年）形成了第一批恒星和星系，慢慢驱散了“黑暗”。 这个时期被称为 再电离时代，或者正如许多天文学家所说的那样： 宇宙黎明.
通过用先进的射电望远镜探测这一时期，天文学家将获得有关第一批星系怎样形成和演化的宝贵见解。 这是目的 再电离阵列的氢时代 (HERA)，一架射电望远镜，专门用于观察位于南非卡鲁沙漠的再电离时代期间和之前的宇宙大尺度结构。 在一个 最近的论文HERA Collaboration 报告了它怎样使阵列的灵敏度加倍，以及他们的观察将怎样导致宇宙黎明的第一个 3D 地图。
HERA Collaboration 是一个国际联盟，由来自南非、澳大利亚、美国、英国、以色列、意大利和印度的天文学家和天体物理学家组成。 该研究由 约书亚狄龙，加州大学伯克利分校天文学系的研究科学家，也是该论文的第一作者。 描述他们最近的研究和发现的论文 出现在网上 并已被天体物理学杂志接受发表。 他们的结果为了解早期宇宙怎样发生再电离提供了新的见解。
今天删除 Universe 上的所有广告
只需 3 美元即可加入我们的 Patreon！
终生无广告体验
从黑暗到黎明
根据目前的宇宙学模型，宇宙始于 138 亿年前的大爆炸，大爆炸产生了一股能量和基本粒子，这些粒子慢慢冷却，产生了第一批质子和电子（它们结合形成了第一批氢原子和氦原子）。 今天以宇宙微波背景 (CMB) 的形式可以观察到剩余的“遗迹辐射”。 感谢像这样的任务 科贝, WMAP， 和 普朗克天文学家绘制了大爆炸后 380,000 年存在的微弱温度变化图。
与此同时，由于哈勃望远镜等任务，天文学家观察到了宇宙大爆炸后大约 10 亿年（约 130 亿年前）存在的星系。 这导致人们对星系怎样演化以及暗物质和暗能量在这一过程中可能发挥的作用有了更深入的了解。 然而，这些对 CMB 和早期星系的观测存在差距：前面提到的“黑暗时代”（大爆炸后约 370,000 到 10 亿年）。 这个时期不能用传统望远镜研究，因为这个时期的光子要么是 CMB 的一部分，要么是中性氢原子释放的光子—— 21厘米氢气线.
随着第一批恒星和星系逐渐形成，它们发出的强烈辐射使周围宇宙的大部分区域重新电离。 这导致了再电离时代，中性氢开始形成自由电子和质子的等离子体云。 为了绘制这些气泡的地图，创建了 HERA 和其他复杂的射电望远镜来观察氢线（频率为 1,420 兆赫兹）。 这种波长的光是中性氢吸收和发射的光，但电离氢不会。
自再电离时代以来，这种辐射因宇宙膨胀而发生红移，波长约为 2 米（6 英尺）。 HERA 的简单天线由铁丝网、PVC 管和电线杆制成，直径为 14 米（46 英尺），可以将这种辐射聚焦到探测器上。 后端是事情变得复杂的地方，由超级计算机和执行高级数据分析的机器学习算法组成。 这张地图可以追踪从非常早期的宇宙到今天的银河演化。
最新分析
研究小组的结果表明，最早的恒星可能在大爆炸后约 2 亿年形成，除氢和氦外几乎没有其他元素。 这一发现与公认的恒星演化模型一致，该模型指出金属（从锂到铀）在第一代恒星中形成。 当这些恒星在相对较短的寿命（数亿年而不是数十亿年）后坍塌时，这些金属与恒星的外层一起脱落，为宇宙播种金属，这些金属成为后代恒星的一部分。
天文学家对这些早期恒星的原子组成很感兴趣，因为这可以显示它们加热星际介质 (IGM) 并导致再电离发生所需的时间。 这里的一个关键元素是高能辐射（主要是 X 射线），一旦双星中的一颗变成超新星，坍缩成黑洞或中子星并最终吞噬它们的伴星，就会产生高能辐射（主要是 X 射线）。 由于最早的恒星只有很少的重元素（低金属度），它们不会给周围区域带来太多的热量，也不会产生较少的 X 射线。
最终，HERA 协作组没有在数据中发现这些气泡发出的信号。 根据 亚伦帕森斯作为 HERA 的首席研究员、加州大学伯克利分校天文学副教授及其射电天文学实验室主任，这排除了一些关于恒星在早期宇宙中怎样演化的理论。 “早期的星系必须与我们今天观察到的星系有很大不同，我们才能看不到信号，”他说。 “特别是，它们的 X 射线特性必须发生变化。 否则，我们就会检测到我们正在寻找的信号。”
信号的缺失在很大程度上排除了“冷再电离”理论，该理论认为再电离有一个更冷的起点。 相反，HERA 研究人员怀疑来自双星的 X 射线首先加热了星际介质 (IGM)。 说 加州大学伯克利分校天文学系的研究科学家兼该论文的主要作者 Joshua Dillon：
“我们的结果要求，即使在再电离之前和大爆炸后 4.5 亿年，星系之间的气体也一定已经被 X 射线加热了。 这些可能来自双星系统，在双星系统中，一颗恒星因伴生黑洞而失去质量。 我们的结果表明，如果是这样的话，那么这些恒星的“金属度”一定很低，也就是说，与我们的太阳相比，除了氢和氦之外的元素很少，这是有道理的，因为我们谈论的是一个时间段在大多数其他元素形成之前就存在于宇宙中。”
这些发现与 HERA 数据（去年报告）的第一次分析的初步结果一致，初步结果暗示“冷再电离”等替代理论不太可能出现。 这些结果基于 HERA 项目第一阶段（约 40 个天线）的 18 晚观测，是迄今为止对早期宇宙最敏感的观测。 这一最新成果基于 94 晚的第一阶段观察（2017 年至 2018 年），展示了 HERA 团队怎样提高阵列的灵敏度。
这包括大爆炸后约 6.5 亿年发出的光增加 2.1 倍（红移值 (z) 为 7.9）和大爆炸后约 4.5 亿年发出的辐射增加 2.6 倍（z = 10.4） . 这代表着该项目和天文学家对早期宇宙的理解向前迈出了一大步。 根据剑桥大学卡文迪什天体物理学家天体物理学家 Eloy de Lera Acedo 的说法，这些最新观测是“我们掌握的关于早期星系加热星际介质的最佳证据”。
展望未来
HERA 团队继续改进望远镜的校准和数据分析，希望能在早期宇宙中看到预测的电离气泡。 过滤掉本地无线电噪声以查看早期宇宙的辐射仍然是一个挑战，因为这个时代的无线电发射大约是地球附近无线电噪声强度的百万分之一。 当 HERA 的所有射电天线都在线并完全校准后，该团队希望构建来自 ca 的电离和中性氢气泡的 3D 地图。 大爆炸后 2 亿到 10 亿年。
一旦完成，HERA Collaboration 和其他天文学家预计会在早期宇宙中看到“瑞士奶酪”模式，其中星系在中性氢背景中开洞。 迪里安说：
“这正在朝着宇宙学中一种潜在的革命性技术发展。 一旦您能够降低到所需的灵敏度，数据中就会包含如此多的信息。 宇宙中大部分发光物质的 3D 地图是未来 50 年或更长时间的目标。 我们所做的是我们说奶酪一定比什么都没发生时更热。 如果奶酪真的很冷，事实证明，与奶酪是热的相比，更容易观察到这种斑点。”
其他尖端望远镜让天文学家得以窥探早期宇宙。 这包括位于不列颠哥伦比亚省的加拿大氢强度测绘实验 (CHIME)，该实验也在观察 21 厘米的氢线以研究宇宙是怎样演化的。 还有 詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST)，它在去年夏天观测到一个存在于大爆炸后约 3.25 亿年的星系。 这创造了有史以来最早观测到的星系的新记录。 然而，JWST 只能观测这一时期最亮的星系，而 HERA 和 CHIME 等阵列则继续探测早期宇宙的“较暗”区域。
“HERA 正在继续改进并设定越来越好的限制，”Parsons 说。 “事实上，我们能够继续推进，而且我们拥有不断为我们的望远镜带来成果的新技术，这真是太棒了。”
