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宇宙从什么时候开始有了星星?科学家在一台收音机中听到答案 ...

2018-3-1 09:35| 发布者: root| 查看: 362| 评论: 0 |来自: 澎湃新闻

澎湃新闻记者 虞涵棋

  宇宙从什么时候开始有了星星?这是最令人类遐想的疑问之一。北京时间凌晨2时发表在《自然》期刊上的两篇论文公布了答案:大爆炸后1.8亿年。

  值得一提的是,美国亚利桑那州大学和麻省理工学院的科学家们利用的探测设备是一台冰箱大小的射电天线,基本工作原理和FM收音机十分相似。

最早的恒星(艺术想象图)本文所有图片来自:美国自然科学基金(NSF)最早的恒星(艺术想象图)本文所有图片来自:美国自然科学基金(NSF)

  只是,这台“收音机”需要尽量精确、均匀地接受不同频段的射电波。需要多精确呢?美国自然科学基金(NSF)负责监督该项目的Peter Kruczynski表示:“(地球)噪音比信号大一千倍——这就像是在飓风中听到一只蜂鸟在振翅。”

  除此之外,科学家们还意外地发现,那时候的宇宙要比计算预测得冷很多。这可能是神秘的暗物质参与作用的结果。

  被恒星“吃”掉的宇宙微波背景

  要想找到最早的恒星,先得从宇宙的早期演化说起。

  宇宙在极早期充斥着各种基本粒子,处于混沌的等离子体状态。直到大爆炸后约38万年,质子和电子结合成稳定的中性氢原子,宇宙才变得通透起来,光子得以自由穿行。

  这群古老的光子,在穿行约137亿年后到达地球。它们见证了这137亿年间的宇宙变换、星辰生灭,构成了宇宙微波背景辐射(CMB)。许多宇宙过往的奥秘,就写在这本无字天书中。

  宇宙的演化

  恒星的诞生就是其一。在引力作用下,中性氢原子气体最稠密的区域开始进一步聚集,最终坍缩,形成恒星。

  恒星放出的紫外线会影响到周围的氢原子气体,改变氢原子的激发态。在这个过程中,氢原子从宇宙微波背景中吸收波长21厘米、频率1420兆赫的特征性辐射,即“吃”掉一些特定的光子。

  恒星的诞生由此在宇宙微波背景中留下了脚印,但我们要去哪里寻找这个脚印呢?

  当时1420兆赫的辐射,在经过亿万年的“红移”效应后,达到地球时会变成100兆赫左右的辐射。

  如果上述推论正确,科学家们应该能发现在宇宙微波背景中,100兆赫左右的辐射被“吃”掉了一些。

  大爆炸后1.8亿年

  尽管方向明确,真的要找到这个信号并不容易。除了来自银河系的射电信号外,地球本身就是个巨大的噪音场,而100兆赫左右也和人类常用的无线电频段有所重叠。

  “在飓风中听到一只蜂鸟在振翅”的比喻并不夸张。

  经过数年的推倒重建和校准,一台体积仅如小冰箱的设备出炉。麻省理工学院的海斯塔克天文台设计制造了天线和接收器,亚利桑那州大学的地球和太空探索学院则给接收器增加了自动天线反馈测量系统。

  射电信号到达天线后被接收器增强,再经计算机数字化记录,其基本原理与FM收音机和电视接收器并无本质差异。

  实验坐落于澳大利亚西部的荒漠地区,远离人类信号的干扰。但在启动收音后,前人理论模型的偏差又让研究团队走了弯路。

位于澳大利亚西部的“收音机”位于澳大利亚西部的“收音机”

  一开始,他们设定收音机聆听100兆赫到200兆赫频段,一无所获。他们意识到,理论模型预测氢原子气体比周边介质温度更高。而如果氢原子气体实际上冷得多的话,氢原子就会在50兆赫至100兆赫这个频段产生强烈的吸收。

  “我们把系统调到这个更低的频段后,立马就找到了疑似信号。”论文作者之一、海斯塔克天文台科学家 Alan Rogers说道。

  具体来讲,科学家们发现78兆赫左右的射电信号出现了一个微沉。78兆赫对应大爆炸后约1.8亿年,这就是恒星的最早生日。

  这是天线数繁多、数据复杂、耗时漫长的干涉仪也没能做到的成果,也是哈勃望远镜没能看到的线索。

  论文的第一作者、亚利桑那州大学的Judd Bowman说道:“在有生之年,我们不太可能看到更早的恒星了。这个工程展示了一种令人信服的新技术,为今后几十年的天文物理新发现埋下了伏笔。”

  神秘的暗物质

  此外,早期氢原子气体意外的低温本身就可能是个重要的发现。根据这次的探测结果计算,氢原子气体大约比绝对零度高2度,比此前的理论预期要低一半。

  一些科学家指出,这可能是暗物质与我们所知的重子物质相互作用的结果。根据信号计算,暗物质粒子的质量不超过数倍质子质量。

  “如果这个猜想得以证实”,Bowman说道,“那我们就对占据宇宙物质85%的神秘暗物质有了全新的基本认知,首次瞥见标准模型以外的物理。”


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