「宇宙探索·21厘米宇宙学」——用氢原子信号窥探宇宙的"黑暗时代"

宇宙的"黑暗时代"——光之前的空白

宇宙大爆炸发生后约38万年，宇宙温度降到了约3000开尔文，电子与质子终于能够结合形成中性氢原子。这个时刻被称为"再结合纪元"，也是宇宙微波背景辐射（CMB）诞生的时刻。在那之后，宇宙中不再有自由电子来散射光子，光线变得可以自由传播——但同时，也没有了新的光源。第一批恒星和星系尚未形成，整个宇宙陷入了一片漫长而深邃的黑暗。

这段没有任何发光天体存在的时期被称为宇宙的"黑暗时代"，持续了大约2到3亿年。对于天文学家来说，这是一个几乎完全无法通过传统光学望远镜观测的"盲区"——因为在黑暗时代中，宇宙里真的什么光都没有。然而，氢原子的一个微妙量子特性为科学家打开了一扇窥探这个神秘时代的窗户：21厘米谱线辐射。

什么是21厘米谱线？中性氢原子中，质子和电子的自旋可以平行排列（三重态）或反平行排列（单态）。反平行排列的能量略低于平行排列。当电子从高能态的自旋平行跃迁到低能态的反平行排列时，会释放出一个光子——这个光子的波长恰好是21.106厘米，频率约为1420兆赫兹，位于无线电波波段。这个微弱的信号就是21厘米谱线，它被誉为宇宙学领域的"圣杯"。

红移后的"时间机器"

黑暗时代中弥漫着大量中性氢气体，这些氢原子持续不断地发射21厘米谱线。但随着宇宙膨胀，这些信号在漫长的传播过程中被"红移"——波长被拉伸到越来越长的波段。例如，黑暗时代早期（再结合后约1000万年）发出的21厘米信号，到达今天已经被红移到了大约6米波段；而黑暗时代晚期（第一批恒星即将点燃时）的信号则被红移到了约2米波段。

这意味着，通过在不同波长（频率）上进行观测，科学家可以像翻阅历史书一样，逐页回溯黑暗时代中不同时期的状态。21厘米信号的强度和形态直接反映了当时宇宙的温度、密度和物质分布——如果某个区域有暗物质聚集，那里的氢原子21厘米信号就会有所不同。通过这种"宇宙CT扫描"的方式，21厘米宇宙学有望揭示暗物质的分布规律，这是任何其他观测手段都无法做到的。

EDGES信号——2018年的宇宙学大新闻：2018年2月，澳大利亚的EDGES实验团队宣布探测到了一个来自红移z≈17（宇宙年龄约1.8亿年时）的21厘米吸收信号。这个信号的强度是理论预测的两倍——如果得到确认，这意味着当时的宇宙气体温度远低于预期。一种可能的解释是"暗物质冷却"：如果暗物质粒子具有少量电荷，它们会通过库仑散射带走普通物质的热量。不过，后续的SARAS 3实验（印度）和LOFAR（荷兰）未能重复这一结果，EDGES信号的可靠性仍是争论焦点。

下一代实验：聆听宇宙的第一声"回响"

尽管EDGES的结果尚有争议，但21厘米宇宙学作为一门新兴学科已经吸引了全球范围内的大规模投入。目前在建或规划中的实验包括：中国的天籁项目（使用新疆的射电阵列）、SKA-low（平方公里阵列的低频部分，位于澳大利亚）、HERA（氢再电离时代阵列，位于南非）和NenuFAR（法国大型低频阵列）。

这些实验面临的最大挑战是如何从强烈的地球无线电干扰和银河系前景辐射中提取出极其微弱的21厘米宇宙学信号。银河系自身在低频波段发出的同步辐射噪声比目标信号强数万倍，科学家需要使用极其精密的数据处理算法才能将二者分离。但一旦成功，21厘米宇宙学将为我们打开一个前所未有的观测窗口——我们不仅能看到宇宙的黑暗时代，还能直接观测第一批恒星和星系是如何点亮宇宙的"黎明"，以及再电离时代中宇宙是如何从黑暗走向光明的。

互动话题

21厘米宇宙学有可能解答的最大谜题是什么？

A. 暗物质的本质——通过暗物质对氢原子信号的冷却效应反推其性质

B. 第一批恒星的形成时间——精确测定"宇宙黎明"发生的时刻

C. 宇宙膨胀的历史——从黑暗时代的信号中提取更精确的宇宙学参数

D. 暗能量的演化——通过大尺度结构的三维分布约束暗能量状态方程

参考信息来源
• J.D. Bowman et al., "An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum" (2018), Nature
• P. Madau et al., "Cosmic Dawn, Reionization, and the 21 cm Line" (2022), Annual Review of Astronomy and Astrophysics
• "21cm cosmology" - Wikipedia:
https://en.wikipedia.org/wiki/21cm_cosmology
• SKA天文台官网: https://www.skao.org/