天文學家捕捉到宇宙第一代恆星的輻射信號

這些信號顯示出早期宇宙中普通氫元素與暗物質之間可能存在的相互作用，但一些科學家對此仍持懷疑態度。

藝術家描繪的宇宙第一批恆星誕生的場景（供圖：N. R. 富勒，美國國家科學基金會）

在進行了近20年的無限射電望遠鏡長期觀測後，天文學家終於發現了他們一直在追尋的來自早期宇宙的微弱信號。一個科研團隊稱，他們發現了來自宇宙第一代恆星的輻射跡象，這批恆星大約誕生於宇宙大爆炸後的1億8千萬年——這個時間相對於宇宙的壽命只是一眨眼的功夫。

「除了宇宙微波背景輻射之外，這是已觀測到的最早的一種宇宙信息。相較於哈勃望遠鏡正在觀測的誕生於宇宙4億歲時的早期星系，我們觀測的時間點只有它一半的年齡」，正在亞利桑那州的坦佩（Tempe）工作的，亞利桑那州立大學的宇宙學家賈德·鮑曼（Judd Bowman）說道。這項研究工作發表於2018年2月28日的《自然》雜誌，鮑曼是論文的第一作者。

在那個被稱作「宇宙黎明（Cosmic dawn）」的時代，第一批恆星由原始的氫氣與氦氣結合而成。它們輻射出的紫外光與周圍區域的氫原子相互作用後，在宇宙大爆炸餘暉中的射電光譜里留下了一個關鍵的標誌。尋找這樣的關鍵信號有助於天文學家探索宇宙早期是如何開始組建自身結構的。

鮑曼與他的合作者，稱他們的工作為「消電離特徵信號的全域紀元探測實驗（Experiment to Detect the Global Epoch of Deionization Signature）」，縮寫為EDGES。這一實驗正在尋找的微弱信號功率不超過實驗儀器接收射電信號總強度的千分之一，這讓它從來自銀河系的固有雜訊信號中分離出來極其困難，鮑曼說。這就像是在一個嘈雜的自助餐廳里聽朋友喊你的名字——你連他們的聲音都辨別不出，更不要說知道他們在說什麼了。

但鮑曼認為實驗團隊已經採取了必要的手段，例如減少並模擬實驗中的不確定因素，加上合理的校準儀器——以確信他們的測量確實是在和遙遠的過去進行聯繫。

信號的存在並不讓人意外，但它的頻率比預想的要低，這可能預示著第一代恆星與星系的合成極為高效。更重要的是，信號的強度遠遠超出預期，這表明宇宙早期的原始氣體比天文學家用熱力學模型推算出的結果來的更冷。

「如果這個有趣的測量結果屬實的話，那就意味著出現了很奇怪的事情」，特拉維夫大學的天體物理學家任南·巴卡那（Rennan Barkana）說道，他在同期雜誌撰寫了相關文章。

鮑曼的觀測還需要更多的合作探討來帶來意外的發現，巴卡那認為。「關於暗物質是如何相互作用的，答案目前非常不確定，而且也沒有多少觀測線索，所以我對此不置可否」，他補充說。

想冷卻物質就必須進行熱能的傳遞，比如空調就是這樣工作的。因而，想冷卻原始氫氣的話，就必須有比其更冷的物質存在。對此，巴卡那建議開展對緩動暗物質粒子的觀測研究。雖然不知何故，暗物質僅在宇宙的這一時期與氫原子相互作用：此時一切物質都逃離了宇宙大爆炸的熔爐，而且可以加熱周邊氣體的恆星還沒形成。但是這種冷卻成立的話，就意味著暗物質粒子比大多數物理學家認為的要輕的多。

「我認為這是一個有趣的可能性」，加州大學洛杉磯分校的天體物理學家史蒂芬·富拉內托（Steven Furlanetto）說到。「但是必須評估這是否會影響到天文學中其他的暗物質很重要的領域，比如對星系團的研究就表明這些作用非常受限。我希望儘快看到對信號準確性檢測的文章。」

普林斯頓大學的天體物理學家維拉·格魯斯塞維奇（Vera Gluscevic）則對觀測結果表示認同。「我並不認為這很瘋狂，如果這個結果是真的，將會非常激動人心。我很興奮的想弄清楚這一信號是什麼，它是否來自暗物質。但我們需要投入更多的時間來進行確認」，她說道。

對於鮑曼和EDGES團隊觀測到的強射電信號還存在另一種可能的解釋是，有更多的射電背景輻射被吸收了，而不是原始氫氣比原先想像的更冷。但目前的測量還不能區分這兩種可能性。

不過，在荷蘭的「射電觀測低頻陣列」，與在南非的「氫紀元再電離陣列（Hydrogen Epoch of Reionization Array）」，也就是大家熟知的HERA，都將建設完成，屆時這一問題就可以得到解決。

「我認為，現在對這些新物理學下定論還為時過早」，HERA項目的領導者，加州大學的天文學家亞倫·帕森斯（Aaron Parsons）說道， HERA項目會利用與EDGES相同的一些射電頻率進行探測。「EDGES團隊已經做了很多細緻的工作，但我認為他們還不能確認這是真實的信號還是儀器校準中出現的某些東西。」

總之，為了探明136億年前恆星和暗物質究竟發生了什麼，天文學家們將不得不再等上幾年。

作者：拉敏·斯奇巴（Ramin Skibba）；文章來源：AIP InsideScience

文章由「科普中國頭條創作與推送項目」團隊推出

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https://www.insidescience.org/news/astronomers-catch-faint-message-universe%E2%80%99s-first-stars

美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄為《超級科學》獨家供稿，2018年2月28日

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