宇宙中第一代星系是如何形成的？暗物質(zhì)的性質(zhì)是什么？這兩大謎團能否同時通過天文觀測進行研究揭秘？

最近，我國天文學家提出，通過測量21厘米森林的一維功率譜，未來的平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）將能夠同時揭秘宇宙第一代星系和暗物質(zhì)的性質(zhì)。相關(guān)研究發(fā)表在國際學術(shù)期刊《自然·天文》上。

探測21厘米森林一直面臨極大挑戰(zhàn)

宇宙中存在大量的中性氫氣體。這些氣體中的氫原子在基態(tài)能級超精細結(jié)構(gòu)之間的躍遷，會產(chǎn)生電磁波波長為21厘米的線輻射，也就是中性氫21厘米線。

中性氫21厘米線為天文學家探索宇宙提供了巨大的機遇。“中性氫21厘米線為探測宇宙黎明與第一代星系提供了獨一無二的手段。同時，利用中性氫21厘米譜線探測宇宙黎明與再電離也是平方公里陣列射電望遠鏡最重要的科學目標之一。”論文共同通訊作者、中國科學院國家天文臺研究員陳學雷說。

同時，宇宙早期各種結(jié)構(gòu)及其周圍的氫原子氣體會在高紅移射電點源的光譜上產(chǎn)生密集的21厘米吸收線。“這些吸收線叢，被天文學家形象地稱為21厘米森林。”陳學雷說，多年來，探測21厘米森林一直面臨極大挑戰(zhàn)。

“主要原因有兩方面：一是21厘米森林信號微弱，并且探測它所依賴的宇宙黎明時期的射電亮源難以獲取；二是21厘米森林信號同時受到第一代星系加熱效應(yīng)和暗物質(zhì)性質(zhì)的影響，因此在觀測上我們很難區(qū)分這兩種效應(yīng)。這就使得21厘米森林探測難以實際用于限制第一代星系的加熱效應(yīng)或暗物質(zhì)的性質(zhì)。”論文共同通訊作者、中國科學院國家天文臺副研究員徐怡冬解釋。

近年來，已經(jīng)有一批高紅移射電噪的類星體被發(fā)現(xiàn)，而且平方公里陣列射電望遠鏡也進入了工程建設(shè)階段，開展21厘米森林探測已迫在眉睫。

在這項研究中，我國天文學家提出了一種原創(chuàng)性的統(tǒng)計測量方案，使得21厘米森林不僅能夠限制宇宙第一代星系的性質(zhì)，還可以同時測量暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量。

新方法有望拓展人類對宇宙的認知

“我們意識到由第一代星系的加熱效應(yīng)和溫暗物質(zhì)引起的信號變化，在光譜上的尺度分布特征存在明顯不同。通過一維功率譜分析，我們未來可以從統(tǒng)計上區(qū)分這二者。”徐怡冬介紹。

“21厘米森林的一維功率譜確實可以成為一箭雙雕的宇宙學探針，它為揭開暗物質(zhì)和第一代星系之謎提供了一種極有前景的新途徑。”論文共同通訊作者、東北大學教授張鑫強調(diào)。

針對此研究，加拿大圓周理論物理研究所教授凱瑟琳·麥克評論道：“這項研究提出了一種有趣的方法，能夠利用21厘米森林功率譜同時限制宇宙X射線對星系際介質(zhì)的加熱，以及溫暗物質(zhì)的可能效應(yīng)這兩種現(xiàn)象。雖然以前的研究已經(jīng)檢查了21厘米森林作為星系際介質(zhì)探針的可能性，但將溫暗物質(zhì)效應(yīng)作為一個獨立信號包含進來，則為未來的觀測提供了一個新的科學目標。”

《自然·天文》的編輯團隊也針對這項研究發(fā)表了評論：“我們宇宙的最遠處總是極為神秘，由于被塵埃、吸收光的原子和中間介質(zhì)中的氣體阻擋而很難直接觀測。這項研究將吸收轉(zhuǎn)化為一種優(yōu)勢，利用它打破了其他方法所遭遇的不同效應(yīng)的簡并，并可用于闡明早期宇宙的結(jié)構(gòu)形成。”

研究人員表示，這一突破性方法的發(fā)展對于解開暗物質(zhì)和宇宙早期天體形成的奧秘具有重要意義，并將進一步推動我們對暗物質(zhì)的理解，揭示宇宙結(jié)構(gòu)形成及演化的過程。通過更深入的觀測和分析，我們有望在不久的將來獲得關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)和早期星系形成的更多見解，進一步拓展我們對宇宙的認知。 （記者 陸成寬）