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宇宙是何时被点燃的?天文学家正在接近准确时刻

2020/7/11 18:39:19 来源:原创 浏览:

一个科学家团队正在与默奇森宽场阵列(WMA)射电望远镜合作,尝试从宇宙的第一批恒星中获取信号——这批恒星是在宇宙黑暗时代之后形成的。为了探测到它们的第一束光,研究人员需要先寻找中性氢的信号,这种气体在黑暗时代后占据了宇宙。

形成第一批恒星需要一定时间。大爆炸之后,宇宙极度炙热,导致原子无法形成。没有原子,也就无法形成恒星。

澳大利亚默奇森宽场阵列 (图源:Baidu)

直到大爆炸后的大约37.7万年,宇宙才膨胀并冷却到足以形成原子的状态,主要是氢和少量的氦(还有痕量锂)。此后,在再电离时代期间,最早的恒星开始形成。

宇宙大爆炸设计图 (图源:Bing)

为了找到来自中性氢的难以捉摸的信号,MWA进行了重新配置。MWA位于偏远的西澳大利亚州,2013年开始运作,有2048个无线电天线,它们被排列成128个"瓦片"。为了寻找这个信号,“瓦片”的数量增加了一倍,达到256块,整个阵列被重新排列。这些接收器里的所有数据都被输入到一台名为Correlator的超级计算机中。

即将在《天体物理学杂志》上发表的一篇论文介绍了对新配置阵列中数据的首次分析结果。论文的标题为“Redshift 7的第一季度MWA II期EoR 功率频谱结果”。首席研究员是布朗大学博士生李文洋。

这项研究旨在了解中性氢信号的强度。分析设定了该信号的最低限度,这是搜索微弱信号本身的关键结果。

布朗大学物理学助理教授,论文作者乔纳森·波伯表示:“我们可以自信地说,只要这个中性氢信号强于我们在论文中设定的极限,望远镜就能观测到它。这些发现可以帮助我们进一步限制宇宙黑暗时代的结束时间以及第一颗恒星出现的时间。”

尽管看起来像早期宇宙中事件的详细时间表,但我们的理解仍存在很大差距。黑暗时代之后,宇宙开启了再电离时代。在这一时期,原子的形成导致了宇宙中第一个结构的出现,例如恒星、矮星系和类星体。

类星体MRK 231(图源:tech.qq)

当这些物质形成时,他们的光在宇宙中传播,使中性氢重新电离。之后,中性氢便在星际空间中消失了。

宇宙的历史

从宇宙黑暗时代过渡到再电离纪元,再到再电离纪元的展开,科学家想知道中性氢在这段期间是如何变化的。宇宙中形成的第一批恒星是我们今天看到的结构的基础,要理解它们,科学家们需要从早期的中性氢中寻找信号。

但这并不容易。这个信号很微弱,我们需要非常灵敏的探测仪器才能找到它。虽然中性氢最初以21厘米的波长发射辐射,但由于宇宙膨胀,信号被拉伸了。

现在信号的长度大约是2米。它很容易在许多其他相似的自然或人为信号中丢失。这就是为什么MWA建立在偏远的澳大利亚——为了将它与尽可能多的无线电噪音隔离。

无线电干扰 (图源:sohu)

波伯说:“其余的信号来源都要比我们试图探测到的中性氢信号强很多个数量级。即使飞机上反射的调频无线电信号恰好从望远镜上方通过,也足以污染数据。”

这就到了展现Correlatoe超级计算机处理能力的时候了。它能够丢弃污染信号,也可以考虑MWA本身的性质。

“如果我们观察不同的无线电频率或波长,望远镜的表现会有所不同,”波伯表示,“校正望远镜的反应对于分离天体物理污染物以及目标信号至关重要。”

阵列的重新配置、数据分析技术、超级计算机功能以及研究人员的辛勤工作都有了结果。论文为来自中性氢信号提出了新的上限。

这是与MWA合作的科学家第二次发布新的,更精细的限制。随着不断的进步,科学家们希望找到这个难以捉摸的信号本身。

波伯说:“这一分析表明,第二阶段的升级产生了许多预期效果,新的分析技术将改善未来的分析。MWA现在连续发布了信号的两个最佳限制,这一事实使这种实验及其方法具有很大的前景。”

作者: sciencealert

FY: Plusone

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