宇宙的第一縷曙光已被人類簽收，暗物質正在來的路上

最新 03-01

來自哈佛大學的理論天體物理學家 Avi Loeb 表示，如果該發現進一步得到確認，那麼它將有機會獲得兩次諾貝爾獎。因為我們不僅捕捉到了來自宇宙中第一批恆星發出的信號，同時也找到了暗物質存在的間接證據。

觀測表明，宇宙的第一批恆星在大爆炸後的1.8億年後被點亮，它們看起來應該是藍色的，輻射出的紫外線會與氫氣相互作用。| 圖片來源：N.R. FULLER/NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

宇宙大爆炸的那一瞬間或許是極致明亮而壯觀的，但在大爆炸發生之後，宇宙很快便陷入了長久的黑暗之中。那個時候，宇宙中沒有恆星或星系，並充滿了中性氫氣。在接下來的5千萬到1億年間，引力慢慢地在氣體密集的區域發生作用，並最終導致了在某些地方氣體坍縮形成了第一批恆星。

但是，這第一批恆星究竟長什麼樣？在什麼時候以及如何產生的？又是如何影響宇宙在未來的演化？這些問題是天文學家和天體物理學家長久以來想要揭開的。

但由於目前的望遠鏡的靈敏度還不足對這些恆星發出的光線進行直接觀測，因此天文學家一直努力在尋找它們存在的間接證據。

現在，在歷經了12年的努力之後，由天文學家Judd Bowman帶領的團隊用一個名為「EDGES」的只有餐桌大小的射電天線，捕捉到了這些恆星發出的微弱信號。這一讓人驚嘆的測量結果為探索早期宇宙打開了一扇新的窗口。據計算，這些恆星應該出現在大爆炸之後的1.8億年左右。科學家將這一結果發表在《自然》雜誌之後[1]，立刻吸引了廣泛的關注。尤其是這項研究的結果還表明，我們是時候重新思考神秘的「暗物質」究竟是由什麼組成的了。

位於澳大利亞西部的默奇森射電天文台的射電天線EDGES。| 圖片來源：CSIRO Australia

根據現有的模型，科學家推測照亮宇宙的第一批恆星應該是藍色且生命周期短暫的，它們會輻射大量的紫外線。長久以來，我們一直將這種在宇宙黎明時期發出的最早的可觀測信號認作為一種「吸收信號」，即一種在特定波長處的亮度下降——這發生在當光穿過氫氣雲並影響氫氣的物理特性時。

我們知道這個「凹陷」應該出現在電磁波譜的射電波區域，波長為21厘米。

氫原子包含了一個質子和一個電子。21厘米氫線來自於當含有質子-電子組合的自旋（spin）為平行（上）翻轉成反平行自旋（下）時，發出的一個源自於特定波長的特殊光子。| 圖片來源：Wikimedia Commons

充滿挑戰的測量

然而上述的一切都只是理論上的預測。在實際操作中，捕捉這種信號是非常具有挑戰性的。因為它會與這個頻譜區域中的許多其他信號重疊，而從FM收音機或星系中的其他事件發出的射電波要比它強得多。這次探測之所以能取得成功的部分原因要歸功於實驗中用到的靈敏接收器和小型天線，這讓研究人員可以更輕鬆地覆蓋大面積的天空。

為了確保他們發現的任何亮度下降都是來自早期宇宙中的星光，研究人員需要通過多普勒效應來進行檢測：由於宇宙正在膨脹，所有的星系都在逐漸遠離我們，因此光的波長會被拉長（偏紅），也就是天文學家常說的「紅移」。

紅移能讓我們知道某一特定氣體雲距離地球有多遠，並讓我們了解這些光線是從何時發射出來的。在這種情況下，任何預計在21厘米波長處的亮度下降都表明著氣體的移動方式和位置。天文學家對宇宙中一段時間內的亮度下降進行了測量，發現最劇烈的情況發生在宇宙誕生後的1.8億年左右。這就是來自第一批恆星的光芒。

圖中所示的巨大「凹陷」是這次最新研究里的直接結果，它顯示了當宇宙年齡在1.8-2.6億年之間，明顯的21厘米輻射信號。這預示著宇宙中第一批恆星和星系的開啟。| 圖片來源：J.D. Bowman et al., Nature, 555, L67 (2018)

暗物質之謎

而故事並沒有就此結束。天文學家驚訝地發現這一信號的振幅比預測的還要高出兩倍之多。這意味著氫氣的溫度比背景輻射預期的要低得多。

這一發現被刊登在《自然》雜誌的另一篇論文中[2]，引發了理論物理學家的高度關注。因為根據物理學推測，在這個時期內的宇宙中，加熱氣體是件容易的事，但冷卻卻應很難。作者認為，若要解釋這個信號，就必須有多餘的冷卻產生，因此氣體必須與某種溫度更低物質的相互作用，而宇宙早期唯一比這種氣體更冷的東西就只有暗物質。現在，理論學家必須對是否要通過擴展宇宙學和粒子物理學的標準模型以解釋這種效應做出抉擇。

我們知道暗物質比普通物質要多出五倍，但我們仍然不知道暗物質是由什麼構成的。在眾多暗物質粒子的候選者之中，弱相互作用大質量粒子（WIMP）是目前最受歡迎的。

然而這次的新研究卻暗示著，暗物質粒子的質量不會比質子重很多（質子與中子共同構成了原子核）。這遠遠低於我們對WIMP質量的預測。分析結果還表明暗物質比預期的更冷，並開啟了用「21厘米宇宙學」作為探尋暗物質的新武器的可能性。通過提高接收器的靈敏度，並減少地面的射電干擾，我們能進一步的揭示更多與暗物質相關的細節。這或許能通過在月球的黑暗面上放置一個干涉儀一類的操作來實現，隨著探測技術的進步，我們甚至可能探測暗物質的運動速度。