穿越宇宙黎明——射电天文学如何深入探索宇宙时空

作者：阿纳斯塔西娅·菲阿尔科夫 阿维·勒布

不论是光线匮乏的宇宙早期，还是第一代恒星与星系的诞生，均超出了传统天文望远镜的观测能力范围。然而，借助新一代射电望远镜阵列，这段神秘的黑暗时代或许终将显现于我们眼前。

从宇宙微波到再电离时期

在过去的一个世纪间，科学对宇宙的理解已经达到了既深刻又精确的程度。爱因斯坦的广义相对论提供了一个框架，能够描述最大可观测尺度上的时空结构，还可以解释黑洞等致密天体的存在及其行为，以及引力波等新颖现象。量子力学和粒子物理学则帮助我们理解恒星如何诞生，为何发光，怎样在超新星爆发中结束生命，以及它们在宇宙时间跨度上丰富宇宙元素构成的方式。物理学家和天文学家已经确定了宇宙的膨胀速率、其主要组成部分的相对丰度，以及其他许多关键的宇宙参数，精度达到了优于几个百分点的水平。他们还利用这些知识，重构了138亿年的宇宙演化过程，精确推算出了大爆炸后十亿分之一秒内的极早期宇宙物理状态。

平方千米射电望远镜低频孔径阵列的艺术想象图。

尽管如此，宇宙中仍然存在许多未解之谜，比如主导星系内引力的暗物质的真实本质，以及驱动宇宙加速膨胀的暗能量的根源。然而，即使暗物质、暗能量的本质尚未明确，我们也能够以极高的精度观测并评估它们在大尺度上的影响。

这种高精度观测时代的到来，在一定程度上得益于我们对最古老的可观测光线——宇宙微波背景辐射的研究。宇宙微波背景辐射是大爆炸发生约38万年后残留的余晖。那时的宇宙弥漫着高温、致密且不透明的电离粒子雾。随着宇宙的膨胀和冷却，电子与质子结合形成氢原子，随即驱散了宇宙的迷雾，光线得以自由传播。这些光穿过茫茫的时间与空间，如今以微弱的微波形式从整个天空向我们传来，形成了一幅宇宙远古时期的二维快照。无论是宇宙微波背景中的温度涨落模式，还是星系在大尺度上的分布特征，都在很大程度上揭示了宇宙的诸多性质，构成了现代宇宙学理论体系的基石。

然而，在宇宙微波背景辐射那无边无际的光辉闪过之后，宇宙陷入了一片深沉的黑暗，因为那时还没有恒星闪耀。这一时期被称为宇宙的黑暗时代，而我们最强大的望远镜至今仍未能窥探其深处的秘密。宇宙的黑暗时代最终被宇宙黎明所终结，弥漫在宇宙中的中性氢原子在引力作用下逐渐聚集，点燃了第一代恒星，并形成了最初的星系。理论模型结合计算机模拟表明，恒星的出现大约需要数千万年至一亿年的时间。在此之前，唯一可能存在的发光天体是假想中的原初黑洞——它们本身虽不发光，但会被周围炽热的漩涡状吸积物质所环绕。

虽然这些早期事件的确切成因和时间尚未确定，但我们可以肯定的是，第一代恒星与星系的诞生在随后的近十亿年间，引发了宇宙历史的另一场史诗级转变。

尽管光重新回到了宇宙，但大量残留的原始中性氢云团仍然抑制了光的传播。第一批发光天体的诞生释放出强烈的紫外线和X射线辐射，将周围气体加热，使氢原子再次被分解为电子和质子，宇宙由此进入了再电离时期。此时，原本呈电中性的普通物质再次变为等离子态，这种状态曾短暂存在于大爆炸后不到50万年的、炽热且高密度的早期宇宙中。然而经历数亿年的膨胀之后，宇宙变得极为辽阔，这些电离物质也被大幅稀释，分布得极为稀薄，对大多数波段的光线几乎完全透明。

极限外的视野

再电离时期的主角——那些最早期的恒星、星系和黑洞的性质，至今仍然是未解之谜。因为这些天体距离我们太过遥远，且亮度极低，现有望远镜几乎无法观测到它们。但这种情况或许不会持续太久，韦布空间望远镜等新一代观测设备有望突破这一观测极限，将视野拓展至宇宙深处，深到几乎难以想象的程度。由于光在宇宙中传播需要时间，望远镜捕捉到的画面实际上展现了天体过去的模样。借助韦布空间望远镜，我们得以观测到宇宙诞生仅3.3亿年后的星系，这让我们窥见了宇宙尚处于极早期——约为宇宙现今年龄（138亿年）的2.4%时的景象。

通过观测与理论计算，我们得以揭示年轻的宇宙，它与我们今日所处的成熟宇宙截然不同。当时的宇宙更为稠密，但恒星形成区在空间中分布得更加稀疏。早期星系相较于今天显得更加紧凑，这是由于它们最初以更小、更致密的基本结构单元，通过分层的方式逐步聚合而成。此外，早期的恒星与今天的恒星也存在显著差异——第一代恒星几乎完全由原始的氢和氦构成，较重的元素要到后来才会出现，它们是在第一代恒星中通过热核反应逐渐形成的。据推测，由于缺乏重元素的“冷却”效应，第一代恒星的质量远比今天的恒星大得多。其中一些恒星在其生命终结时，经历的灾变性爆炸威力远超我们今天所见的超新星爆发。爆炸将它们内部核聚变产生的重元素灰烬抛洒到星际空间，为后来的恒星世代提供了丰富的养料。

尽管韦布空间望远镜揭开了诸多宇宙奥秘，但仍无法触及许多藏匿于深空的天文现象。它尚未明确捕捉到第一代恒星发出的光，仅能探及最早期星系中最明亮的极少数成员。同时，那些被视为典型早期辐射源的恒星形成区与超新星爆发，因亮度远低于探测极限而未能进入韦布空间望远镜的视野。展望未来，即便是镜面直径将达40米的新一代巨型地基望远镜，其集光能力恐怕也无法回溯到更深远的时空，追溯恒星诞生的原初时刻。

令人惊叹的是，人类凭借非凡的创造力，找到了一种能够深入探索宇宙时空的新方法，其探测深度甚至超越了传统巨型望远镜的观测能力极限。

这项技术不再直接探测第一代恒星发出的光芒，而是通过极其灵敏的射电望远镜，寻找它们在周围原始氢原子气体（那时星际空间中充满了这种气体）中留下的痕迹。宇宙微波背景辐射在揭示这些深邃的宇宙奥秘中再次扮演了关键角色。与大爆炸后38万年时宇宙的二维快照不同，这一新技术利用原始氢原子气体与宇宙微波背景辐射之间的复杂对比，构建出一幅涵盖宇宙最初十亿年大部分时期的三维动态演化图。这使天文学家有望追溯至宇宙黎明时期，见证第一代恒星、星系与黑洞如何从黑暗时代中孕育而生。

21厘米的宇宙轮廓

当宇宙微波背景辐射的光子穿越中性氢云团时，会与氢原子中波长为21厘米的能级跃迁发生共振，从而扰动原本平滑的微波背景黑体谱。这种细微的扰动为我们提供了一种新的探测手段，来研究宇宙黎明和再电离时期充满星际空间的原始气体。

这种非传统的宇宙测绘方法基于氢原子的一种跃迁，即质子和电子之间自旋方向相对排列发生变化的“自旋翻转”跃迁。这一过程涉及一个频率为1.4吉赫兹（对应的波长为21厘米）的射电波段光子，因此被称为“21厘米信号”。该跃迁表现为两种形式：比宇宙微波背景更冷的氢原子会吸收一个21厘米光子，从而部分阻挡宇宙微波背景辐射的传播；而比宇宙微波背景更热的氢原子则会发射一个21厘米光子，使背景亮度增强。射电望远镜可以探测并绘制这些来自中性氢的信号，它们在宇宙微波背景辐射黑体谱上表现为微弱的扰动。

此外，氢原子所处的环境也进一步丰富了21厘米信号所承载的信息。氢原子吸收或发射21厘米光子的速率主要受气体密度影响，同时也受到恒星和黑洞产生的背景紫外光与X射线辐射的调控。这些因素与其他物理过程共同作用，使得宇宙历史不同阶段的21厘米信号呈现出不同的强度变化和独特的空间分布模式。因此，21厘米信号不仅为我们提供了窥探第一代发光天体的窗口，也成为追踪宇宙膨胀与结构演化的有力工具。

21厘米信号和这些物理过程间的复杂依赖关系使其成为一种极为重要的天体物理探针。例如，第一代恒星发出的紫外辐射会与氢原子相互作用，在21厘米信号中留下半径约为1亿光年的“电离气泡”印记。这种现象的发生机制在于，恒星辐射会影响氢原子中电子的自旋翻转跃迁速率，并使其与氢原子的热运动耦合，而氢原子的运动状态又受到气体温度的支配。

与此同时，第一代黑洞也会对21厘米信号产生显著影响：当黑洞吸积周围物质时，其炽热的吸积盘会释放出高能X射线。这些高能光子加热周围的气体，在气体温度上引发大尺度波动，而这些波动同样会在21厘米信号的强度分布中留下清晰的印记。

总体而言，这些效应共同勾勒出一幅丰富多彩的21厘米辐射“织锦”，细致入微地描绘了早期宇宙。然而，这一信号最终会被星系释放的电离辐射所淹没，直至完全消散。随着星系不断增大、质量不断增长，它们释放出的大量紫外光子会“蒸发”掉大部分残留的原始中性氢，并将其重新电离为由带电粒子组成的等离子体。由于这些带电粒子无法发生自旋翻转跃迁，随着宇宙的再电离，宇宙学尺度上的21厘米信号逐步消失。然而，在一些区域里，规模较小的21厘米辐射仍能幸存下来。这些辐射来自星系内部由稠密的中性气体构成的庇护所中，这些区域如同孤岛般被屏蔽在电离辐射之外，使得21厘米辐射可以幸存。

信号的低语

但这些充满前景的21厘米信号真的在我们探测范围之内吗？我们的技术能否探测到它们？

如果我们在地球上的实验室中放置一团具有宇宙密度的稀薄氢原子气体云，能否观测到21厘米信号呢？答案是否定的。原因很简单：单个氢原子完成一次自旋翻转跃迁大约需要长达1000万年的时间。幸运的是，宇宙的存在时间远超1000万年。在漫长的宇宙演化过程中，大量氢原子通过持续跃迁不断释放并增强这种微弱的信号，最终使其达到可观测的强度。事实上，科学家已经通过观测实验验证了这一点。例如，加拿大氢强度测绘实验和南非的狐獴射电望远镜阵列都成功探测到了来自附近宇宙中性氢岛屿发出的21厘米信号。

21厘米光子的波长携带着来自第一代恒星、黑洞和早期星系的宇宙信息。然而，随着宇宙的膨胀，这些光子的波长也被拉伸了——这就是宇宙学红移现象。为了探测宇宙中第一代恒星发出的信号，我们需要接收波长达到数米的无线电波。遗憾的是，这些红移后的信号与常见的调频广播（FM）频段存在部分重叠，这意味着当你听到通过电台传播的流行音乐时，也在无意中掩盖了宇宙中第一代恒星的古老低语。

即使没有人为的无线电干扰，观测极其微弱的21厘米宇宙学信号仍然面临巨大挑战。这是因为它被强度高出数个量级的其他天体辐射所淹没。这些强大的辐射来自电子在银河系及其他星系周围和内部的强大磁场中高速运动时发出的电磁波。要探测到微弱的21厘米信号，难度就好比在刺耳的警报声中分辨出一个人微弱的呼吸声。然而，借助复杂的数据分析算法，尤其是基于机器学习的技术，科学家有望突破这片由天体物理噪声构成的屏障，成功提取出早期宇宙中原始氢原子气体发出的微弱信号。

为了探寻宇宙中极其微弱的21厘米信号，研究者设计了两种主要方法。第一种方法是使用单个小型紧凑的天线，从整个天空中收集并测量信号。这类实验被称为“全天总功率”测量，它们聚焦于探测宇宙历史中的关键阶段，如恒星形成的开端、气体加热过程以及再电离的发生。2018年，位于澳大利亚内陆的一台单天线射电望远镜观测项目——探测再电离时代全球信号实验（EDGES），首次通过这种方法取得了突破性进展，成功对宇宙大爆炸后约2亿年的21厘米信号进行了全天测量。

EDGES团队报告的21厘米吸收信号比理论预期的更深，这引发了科学界的广泛关注。产生这样的结果有两种可能的原因：一种是气体温度显著低于理论预测，这或许暗示了普通物质与冷暗物质之间存在某种未知的相互作用；另一种可能是背景辐射强度高于宇宙微波背景辐射。后一种可能性意味着在宇宙黎明时期存在异常明亮的射电源，或者某种奇异的粒子物理机制产生了大量波长为21厘米的光子。

随后，另一个名为“背景射电频谱测量天线3”（SARAS3）的实验项目在印度南部的一个大型湖泊上展开观测，试图验证EDGES在低频段的结果。然而，SARAS3未能重现EDGES的探测结果。由于这类观测的难度极高，目前尚无法明确判断哪一方的结果更为可靠。尽管如此，科学家并未放弃对这一领域的探索。除了EDGES和SARAS团队外，由英国剑桥大学和南非斯泰伦博斯大学共同领导的“宇宙氢分析射电实验”等多个国际合作项目也在积极开展相关研究，努力探测再电离时期和宇宙黎明时期的全天平均21厘米信号。

与“全天总功率”测量不同，第二种方法利用一种名为干涉仪的大型天线阵列，来探测21厘米信号的空间波动。这种方法不再关注信号在全天范围内的整体强度，而是记录天空中不同区域的功率差异，揭示宇宙不同历史时期21厘米信号基于位置的变化。干涉仪的核心优势在于其能够提供比“全天总功率”测量更为丰富的空间信息。例如，它可以帮助我们绘制出第一批恒星形成区域在天空中的分布图。通过对这些数据的分析，科学家可以更深入地了解早期宇宙的结构和演化。目前，多个低频干涉仪项目正在运行，为研究宇宙黎明和再电离时期提供了重要数据支持。它们包括：低频阵列、再电离时期氢阵列、默奇森宽场阵列和探测黑暗时代的大孔径实验等。

通过观测数据分析，科学家已经给出了宇宙黎明和再电离时期21厘米信号波动的功率谱上限。这些设备仍在持续接收来自宇宙深处的信号，为研究积累更多数据。目前最受21厘米宇宙学界期待的项目是正在建设中的平方千米阵（SKA），它位于澳大利亚和南非。相比现有的望远镜，SKA的灵敏度和分辨率更高，能够在广泛的红移范围内对21厘米信号成像，从而为早期宇宙中的中性氢生成类似于医学断层扫描的三维图像。

在揭示宇宙黑暗时代的不懈探索中，科学家已将目光投向了一个可能成为21厘米宇宙学终极观测前沿的地点——月球背面。月球的巨大体积能够有效屏蔽来自地球的无线电干扰。在月球远侧建造射电天线阵列的提案已有多个，这些项目可能会成为本世纪人类重返月球计划的重要组成部分，或将带来重大的科学突破。在最终目睹宇宙黎明破晓之前，不确定性带来的阴影正在逐渐消散。

瞬息万变的21厘米信号

第一批恒星诞生之前的宇宙黑暗无光，无法用传统望远镜观测。天文学家试图用中性氢原子发射的21厘米谱线揭开黎明前的黑暗。随着恒星和星系的形成与演化，宇宙中的21厘米射电信号会发生显著变化。这一信号受到多种天体物理因素的影响，包括氢原子的温度、密度和电离状态，同时也受到宇宙微波背景和恒星辐射的共同调制。

电离气泡

当恒星形成区出现时，它发出的光会向外传播，并与周围空间中弥漫的气体相互作用，逐渐“雕琢”出一个泡状结构。多种类型的光共同参与了这一过程，每种光都会根据自身的波长、强度以及气体的密度、电荷状态和温度，在泡泡内部留下独特的“印记”，形成分层结构。这些复杂的相互作用赋予了泡泡动态且多层次的特性，而这种特性可以通过21厘米信号的强度波动加以辨识。

黑暗中的微光

宇宙黑暗时代并非完全黑暗无光。来自氢的微弱无线电波使我们能够探索宇宙的这一早期阶段。

这些射电信号的来源有两个：一是大爆炸余晖中的光子，也就是宇宙微波背景，它们与庞大的中性氢气云相互作用；二是氢原子之间的碰撞。这些中性氢气体云中的氢原子之所以呈电中性，是因为每个原子核（带正电的质子）都伴随着一个带负电的电子。

要理解这些氢原子是如何发出21厘米辐射的，不妨先了解另一种更常见的辐射机制。该机制分为两个步骤：电子先被激发到更高的能级（即“激发态”），随后又回落到低能级，并在这一过程中释放出一个光子。

宇宙微波背景光子与原子的碰撞非常微弱，无法以常规方式激发氢原子，但仍能通过改变电子的自旋方向，使其与质子保持一致来增加能量。当电子自旋翻转回基态时，多余的能量会以一个波长为21厘米的光子的形式释放出来，该波长位于电磁波谱中的射电波段。通过这种被称为“自旋翻转跃迁”的机制，氢原子得以发出射电辐射。而天文学家正是利用这一现象，绘制出宇宙黑暗时代的图景。

（图文均由《环球科学》杂志社供稿）

《光明日报》（2025年08月21日 14版）