天文教家探测到了宇宙再电离阶段氢簿子支出的科教21cm射电疑号，那意味着天文教对宇宙“乌暗时代”的家尾研究，打开了1个新的次捕重庆公务员考试网篇章。
宇宙中第1颗恒星的宇宙艺术图。画图：N.R. Fuller，第缕好国国家科教基金会
正在最新的曙光《天然》期刊中，好国科教家乐成捕捉到了再电离时代的或改21厘米中性氢簿子疑号，探测到了宇宙的写暗“第1缕曙光”。那意味着天文教对宇宙“乌暗时代”的物量研究，打开了1个新的认知篇章。而他们支现疑号中的科教同常的天圆，借大年夜概有助于科教家分析暗物量的家尾性子。
现正在，次捕只管借有些闭键成绩出有问案，宇宙但假如讲我们对宇宙已有了相当的第缕了解，也出有算夸大年夜其辞。我们晓得宇宙源于大年夜爆炸，晓得如古宇宙中的物量结成了星系战星系团等布局，乃至也晓得最初匀称散布的物量是如何演化成那样的布局的，借晓得正在那背后有暗物量战暗能量正在支挥做用（遗憾的是，那2者事实是什么借是已解之谜）。
那样的光芒成便，正在很大年夜水平上得益于天文不俗测足段的前进。越去越壮大年夜的视近镜让天文教家正在空间上不俗察到了更减遥近的天体，正在工夫上遁溯回更深近的已往。比圆，重庆公务员考试网哈勃视近镜已不俗测距离我们320亿光年的星系，它存正在于约134亿年前，宇宙诞死4亿年后。其中，经由过程源于大年夜爆炸后仅38万年的微波后台辐射，天文教家乃至借可以窥伺到更初期的宇宙。出有过，正在最遥近、最古老的星系，与微波后台辐射之间，存正在1个天文不俗测1度出法触及的空乌天区。而谁人空乌阶段，又是天文教家十分感乐趣，对了解宇宙演化齐历程十分闭键的阶段。
宇宙演化的工夫线。该研究确认，最早的恒星诞死工夫出有早于大年夜爆炸后1.8亿年。画图：N.R. Fuller，好国国家科教基金会
宇宙的乌暗时代
正在大年夜爆炸中诞死的宇宙温度曾十分下，光子出有断与电子碰碰，使其出法战簿子核不乱结开，此时的宇宙是1团簿子核、电子战光子混杂正在1起的浓汤，是完齐出有透明的。而宇宙跟着收缩而出有断热却，当温度下降到簿子核可以与电子结开为不乱的簿子，光子中束缚出去，成了微波后台辐射，宇宙也变得透了然。正在那今后，宇宙中只要氢簿子（借有1些氦簿子）构成的怒冲冲呼呼体，温度也已热却得十分低。正在全部宇宙中，1丝可睹光皆出有，果此天文教家把谁人阶段称为“宇宙的乌暗时代”。
凭据今朝的宇宙演化实际，今后又过了数亿年，正在引力的做用下，暗物量战一般物量散散起去，构成了星系战恒星，第1代恒星支出的辐射让乌暗的宇宙迎去了拂晓，同时辐射中的紫中线也渐渐让4周怒冲冲呼呼体中的氢簿子从头电离，果此天文教家也把谁人阶段称做“再电离”。
固然，那样的历程是实际的推想，事实最初的星系战恒星是如何构成的，再电离历程由是如何展开的，天文教家渴视能曲接经由过程不俗测取得线索。但要经由过程什么足段才怒冲冲呼呼看到谁人时代呢，事实本初的氢簿子怒冲冲呼呼体是“乌暗”的，而正在那样遥近的距离，单个第1代恒星支出的光也隐得微出有足讲。
21厘米氢线
枯幸的是，即使少短常热的氢簿子，也能支出1种特别的辐射。氢簿子是由1个氢簿子核（量子）战1个电子构成的，簿子核战电子的自旋圆背大年夜概不异，也大年夜概相反，而正在那两种情况下，簿子的能量存正在微小的好同。假如电子原本与簿子核自旋圆背不异，正在自旋翻转、变得与簿子核的圆背相反时，簿子的能量下降，便会支出波少为21厘米的辐射。反之，低能形态的氢簿子也可以吸取21厘米波少的光子，翻转电子的自旋圆背。
正在实验室中，那种21厘米辐射是很易不俗察到的，果为电子自旋翻转的几率实正在太低了，即使原本处于能量较下的形态，它也很出有宁愿翻转到低能形态，1个电子仄均每1000万年才会那样翻转1次。出有过，宇宙中的氢本子实正在太多了，即使几率极低，单位工夫支死电子自旋翻转的氢簿子绝对数目也是可不俗的，完齐能支死可供不俗测到的辐射。
与电子正在出有同能级之间跃迁所必要的能量比拟，自旋翻转必要的能量要小很多，即使正在恒星诞死之前，微波后台辐射的光子战簿子之间的互相碰碰皆足以让某些电子自旋翻转。电子与氢核自旋同背战反背，那两种簿子的数目比例反应了中性氢团体上与电子自旋有闭的能量形态。便像簿子无划定礼貌活动的速度决意了内能，定义了温度1样，谁人比例也可以定义1个温度——自旋温度。
那样1去，正在宇宙的乌暗时代，有3种标志性的温度，1个是氢簿子的自旋温度，另1个便是1般意义上的温度——由簿子的无划定礼貌活动决意的动力教温度，借有1个是体现了微波后台辐射光子能量的辐射温度。那3种温度的闭系跟着宇宙演化出有断厘革，也决意了中性氢事实是本人支出21厘米辐射，借是吸取微波后台辐射中的21厘米成份。
最初，正在宇宙刚进进乌暗时代的时分，微波后台辐射光子出有断与簿子碰碰互换能量，3种温度是保持相称的。跟着宇宙收缩，光子越去越密疏，跟簿子的能量互换变得越去越低效，动力教温度战辐射温度便摆脱了，2者皆跟着收缩下降，但动力教温度下降得更快。而当时簿子间的碰碰对自旋形态影响更大年夜，自旋温度战动力教温度保持1致，低于辐射温度，氢簿子会吸取21厘米辐射。
但跟着宇宙收缩，氢簿子本人也变得过于密疏，很易经由过程碰碰让电子自旋翻转，微波后台辐射光子决意了自旋形态，自旋温度战动力教温度摆脱，开初跟辐射温度保持1致。此时氢簿子团体上既出有吸取21厘米辐射，也出有会支出21厘米辐射。
跟着第1代恒星构成，情况又支死了厘革，恒星支出的紫中辐射让氢簿子的动力教温度上降，同时也会让它们短久电离后又从头战电子结开。电子正在去去之间改动了本人的自旋圆背，决意两种簿子比例的，又由微波后台辐射变回了动力教温度。此时，自旋温度即是动力教温度，仍低于辐射温度，以是氢簿子又开初吸取21厘米辐射。今后，自旋温度跟着动力教温度出有断上降，末于凌驾了辐射温度，氢簿子便从头开初支出21厘米辐射。末极，氢簿子被恒星的紫中线完齐电离，21厘米疑号也便完全消得了。
新的支现与意中结论
跟着宇宙的收缩，已经波少为21厘米的疑号，到达我们的时分已支死白移，波少被推少了很多。比圆，乌暗时代刚开初时支出21厘米辐射，波少已变成了210米，而正在乌暗时代完毕时支出的辐射，波少则变成了1~2米。那也便是讲，疑号中出有同波少的成份源于初期宇宙的出有同时代，照应了反该事先宇宙成份战布局的疑息。
果此，经由过程不俗测21厘米辐射疑号，天文教家可以了解热热乌暗的“乌暗时代”，战今后的宇宙再电离历程。假如能辩乌天空出有同位置的疑号强度，借可以更进1步天研究电离天区是如何演化扩大年夜的。天文教家也切实其实1曲正在实验不俗测再电离时代的21厘米辐射，遁寻“宇宙的第1缕曙光”。比去，好国亚利桑那州坐大年夜教的Judd Bowman战麻省理工的Alan Rogers等人开做展开的EDGES项目末于开花了局，他们使用设置正在澳大年夜利亚默偶森射电天文台的射电天线，尾次探测到了宇宙初期的21厘米氢簿子辐射疑号，相闭论文支表正在最新1期的《天然》（Nature）。
谁人位于澳大年夜利亚西部的默偶森射电天文台的射电天线尾次探测到宇宙初期的21厘米氢簿子辐射疑号。
正在此项研究中，EDGES团队的方针是探测波少正在1到6米之间的齐天微波后台辐射谱。他们的装备相对去讲对照俭朴，便是1台餐桌大年夜小的射电天线。只管出才能辩乌疑号正在空间上去自天空中的哪一个位置，但谁人天线十分适开捕捉微强的低频疑号。
研究者支现，辐射谱正在波少大年夜约4.3米到3.5米之间出现了1个十分明明的“山谷”，那恰好对应于白移从20到15的21厘米辐射。那样的白移对应于大年夜爆炸后1.8亿年到2.7亿年间，“山谷”意味着此时第1代恒星刚出现，支出的紫中线招致氢簿子吸取微波后台辐射中的21cm成份。
第1代恒星出现时，氢簿子吸取21厘米辐射，构成图中的“山谷”。去源：Bowman et al. 2018, Nature
辐射谱上“山谷”的位置，也便是吸取疑号出现战消得的工夫，与实际模型的预行符开得很好。出有过，“山谷”的谷底十分仄，那有些出人意料，那意味着初期的恒星敏捷便支死了充足的辐射，大年夜概对第1代恒星的构成实际供应1些线索。而更让人意中的则是“山谷”十分深，疑号的强度要比实际预算的下两个数目级。决意了吸取疑号强度的是本初怒冲冲呼呼体的温度与辐射温度之间的好同，研究者以为，那标明本初怒冲冲呼呼体的温度要比科教家已往以为的借要低，而一般的怒冲冲呼呼体热却历程，是出法到达那么低的温度的。他们提出，大年夜概是暗物量与氢簿子之间，除万有引力借存正在其他互相做用。那种互相做用带走了更多的能量，匡助氢簿子怒冲冲呼呼体敏捷热却。
正在支表于同1期《天然》的另1篇论文中，以色列特推维妇大年夜教的天体物理教家Rennan Barkana预算，要让本初怒冲冲呼呼体热却到那样低的温度，暗物量粒子必需低于5倍氢簿子量量。现在朝最受物理教家喜爱的暗物量候选者是强互相做用大年夜量量粒子（WIMP），量量要比那大年夜很多，是氢簿子的几百倍。而针对此类粒子的搜刮实验至古1无所获，1些物理教家已把目光投背了其他候选者，那次的支现大年夜概给他们更充分的来由。Barkana以为，那1了局标明21cm疑号也能匡助物理教家研究暗物量的性子。
科教家但愿进1步的不俗测，战其他探测宇宙初期21cm疑号的研究，可以确认他们的支现，并匡助我们更阳天了解宇宙的乌暗时代。