黑暗时代的隐秘21cm谱线或可揭晓宇宙学路漫漫

世界或许是从一声巨响开端的，回声远去，尔后需求适当长的时间，世界交响乐才开端。在榜首次构成中性原子的世界微波布景（CMB）构成和榜首颗恒星构成之间，有一亿年的时间世界归于漆黑。“漆黑时代”到目前为止还肯定没被观测到，但这样的一种状况很快就会改动。

漆黑时代或许能答复许多急迫的问题。在这一时期，世界的大部分质量是以轻原子（主要是氢）和暗物质的方式存在的。原子在引力的效果下缓慢地集合起来，最终点着了榜首颗恒星。

在榜首颗恒星呈现之前，天体物理进程很少，而漆黑时代氢的散布则携带着关于结构构成的十分明晰的信息。关于暗物质的行为和构成的结构的巨细细节都编码在这些氢云中。可是咱们怎么能看到漆黑呢？

走运的是，这些漆黑时代并不彻底漆黑，仅仅十分昏暗。那时，充溢世界的氢原子常常磕碰在一起，这会使电子的自旋发作翻转。电子的能量改变很小，能量取决于电子的自旋是与原子核的自旋对齐，仍是指向相反的方向。这种十分小的能量差被称为“超精密割裂”。将氢电子的自旋从对准状况翻转到反对准状况，然后导致一个十分低能光子的发射。因为高能光子波长短，而低能光子波长长，这种超精密跃迁将发生波长为21厘米的光子。假如咱们能追寻这些21厘米光子的发射，咱们就能追寻氢的散布。但21厘米是大约在130亿年前发射的光子的波长。

从那以后，世界明显胀大，光子的波长也随之拉长。波长被拉伸的程度取决于它是在漆黑时代的前期仍是晚期发射的。一起，前期的光子被拉伸了约1000倍，导致现在它的波长有几百米。在漆黑时代晚期发射的光子并没有被拉伸得那么长，它们现在的波长“只要”几米。

21厘米天文学最令人兴奋的是，它不只给咱们供给了一个特定时间的快照——就像CMB相同——并且答应咱们在漆黑时代接连制造不一起期的地图。经过丈量不同波长的红移光子，咱们咱们可以观测整个时间段。这将给咱们许多关于世界前史的新见地。

图解：左图中显现了世界漆黑时代晚期的红外光，已除掉（远景）恒星。21厘米的天文学将可以勘探更远的当地。右图是远景天体。图源：NASA/JPL Caltech/A.Kashlinsky（GSFC）。

人们还不清楚漆黑时代是怎么完毕的，以及榜首颗恒星是怎么构成的。漆黑时代止于再电离阶段，在这个阶段，激烈的紫外星光再次剥离其电子的中性氢。这种再电离被以为是由来自榜首颗恒星的辐射引起的，但咱们不知道这一进程终究有多杂乱。因为电离氢不能再发射出超精密线，21厘米天文学可揭秘电离区是怎么构成的，以及许多关于前期恒星天体和星系间介质的行为。

21厘米天文学也能协助解开暗物质之谜。假如暗物质自周年化，这会影响中性氢的散布，而中性氢可拿来束缚或扫除某些暗物质模型。

图解：世界中暗物质散布的三维地图。21厘米天文学将使咱们也可以比用来制造这张地图的弱透镜技能更精密、更早地勘探这一结构。图源：NASA/ESA/Richard Massey（加州理工学院）。

胀大模型也可以用这种方法来探究：21cm天文学可以制造的结构散布带有量子涨落的印记。这些动摇取决于胀大的场的类型及其势的散布。因而，在漆黑时代现已存在的结构相关性扫除了某些胀大类型。

或许最令人兴奋的是，漆黑时代或许会让咱们窥见世界弦，一个具有高密度和高引力的一维物体。在弦现象学的许多模型中，世界弦或许在胀大完毕、漆黑时代开端之前发生。经过歪曲氢云，世界弦在21厘米发射光谱中留下特征信号。

可是丈量这个波长的光子并不简单。银河系也有这样的辐射源，这就发生了一个不可避免的银河系远景，有必要加以解析和删减。此外，地球大气层会使信号失真，一些无线电广播会搅扰丈量。尽管如此，天文学家们现已迎接了应战，榜首架寻觅前期世界21厘米信号的望远镜现已投入到正常的运用中。

图解：Murchison宽场阵列（MWA）中的一个模块。图源：Natasha Hurley-Walker博士。

低频阵列（LOFAR）于2012年末上线。它的主望远镜坐落荷兰，但它结合了欧洲其他24个望远镜的数据，对30米巨细的波长十分灵敏。澳大利亚的Murchison Widefield阵列（MWA）对几米波长灵敏，2013年开端收集数据。而在2025年，平方公里阵列方案完工。这个澳大利亚和南非的联合项目将是世界上最大的射电望远镜。

天文学家的抱负依然是彻底消除地球大气形成的差错。他们最雄心壮志的方案是在月球的远端装置一系列望远镜。但不幸的是，这个主意很勉强——更不用说资金不足了。

图解：ESO/M.Kornmesser，CR7，榜首个被以为是星族Ⅲ聚居地的星系，世界中榜首颗恒星或许诞生于此。

几十年前，世界学仍是一门缺少数据的学科，许多人以为它更挨近哲学而不是科学。今日，它是一个根据高精度丈量的研讨范畴，其数据覆盖了整个电磁频谱。科技的前进和咱们对世界前史的了解一直是惊人的，但咱们才刚刚开端。接下来才是有许多信息要发掘的“漆黑时代”。

作者: Sabine Hossenfelder

FY: 也么

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