揭秘宇宙谜团：21厘米森林测量引领宇宙第一代星系与暗物质的探索

发布者：江天一览 2023-7-26 09:53

最近，中国的天文学家提出了一种独特的方法，通过测量21厘米森林的一维功率谱，未来的平方公里阵列射电望远镜（SKA）将能够同时揭秘宇宙第一代星系和暗物质的性质。这个想法非常有趣，让我们一起来了解一下！

首先，我们需要了解什么是21厘米森林。宇宙中存在大量的中性氢气体，当这些气体中的氢原子在基态能级超精细结构之间发生跃迁时，会产生电磁波的线辐射，即中性氢21厘米线。这个线辐射为天文学家提供了探索宇宙的机会。而21厘米森林就是指宇宙早期各种结构及其周围的氢原子气体，在高红移射电点源的光谱上产生的密集的21厘米吸收线。

然而，探测21厘米森林一直面临着很大的挑战。一方面，21厘米森林的信号非常微弱，而且宇宙黎明时期的射电亮源也很难获取；另一方面，21厘米森林信号同时受到第一代星系加热效应和暗物质性质的影响，难以区分这两种效应。这使得21厘米森林探测难以用于限制第一代星系的加热效应或暗物质的性质。

为了解决这个问题，我国的天文学家提出了一种创新的统计测量方案。他们意识到，第一代星系的加热效应和温暗物质引起的信号变化，在光谱上的尺度分布特征存在明显不同。通过一维功率谱分析，可以从统计上区分这两者。这意味着，通过测量21厘米森林的一维功率谱，我们不仅可以了解宇宙第一代星系的性质，还可以同时测量暗物质粒子的质量。

这项研究的贡献不容忽视。它为我们揭示了宇宙中的两个谜团：第一代星系的加热效应和暗物质的性质。此外，这一突破性方法的发展还将推动我们对暗物质的理解，揭示宇宙结构形成及演化的过程。通过更深入的观测和分析，我们有望在不久的将来获得关于暗物质性质和早期星系形成的更多见解，进一步拓展我们对宇宙的认知。

这项研究引起了国际学术界的关注和赞赏。加拿大圆周理论物理研究所的凯瑟琳·麦克教授评论说，这项研究提出了一种有趣的方法，能够同时限制宇宙X射线对星系际介质的加热和温暗物质的可能效应。她认为，这一方法为未来的观测提供了一个新的科学目标。《自然·天文》的编辑团队也对这项研究表示赞赏，认为它打破了我们对宇宙最远处的神秘认知，并为阐明早期宇宙的结构形成提供了新的工具。