科学家探测到在大爆炸发生后仅1.8亿年形成的氢

科学家探测到在大爆炸发生后仅1.8亿年形成的氢

科学家们利用小型射电望远镜发现了宇宙大爆炸1.8亿年后形成的原始氢气云发出的微弱无线电波。这是所观察到的最早的氢信号。他们还发现证据表明,早期宇宙中的第一批恒星已经在此时闪烁。虽然他们的观测结果符合对我们宇宙起源的大多数理论预测,但也有一点神秘的是:氢气的温度比预期的要低。

亚利桑那州立大学的贾德·鲍曼(Judd Bowman)认为:“我们的观测结果与大爆炸是一致的。它们也符合我们对宇宙中第一颗恒星形成时间的期望。”但他们认为,我们至少漏掉了一个谜团--要么是目前存在的产生更多无线电波的其他东西,要么是某种机制使气体冷却得比预期的更多。

鲍曼说,在这些观测之前,天文学家们希望基于物理模型和先前对宇宙微波背景--宇宙早期阶段遗留下来的电磁辐射--的观测,更好地了解原始气体的温度。

他说:“我们预计,气体从大爆炸38万年后形成之时起,直到恒星开始出现时,都会缓慢冷却。”然而,我们探测到的信号的强度要求在早期宇宙中背景无线电波的强度要比预测的要大,或者气体要比预期的要冷。

科学家探测到在大爆炸发生后仅1.8亿年形成的氢

虽然天文学家通常依靠光进行观测,但对观测早期宇宙最有用的是无线电波--特别是微波。通过研究这部分电磁光谱,他们可以测量宇宙微波背景,这是现存最古老的光。在此之前,宇宙实际上是不透明的:因为宇宙是如此的热和稠密,光不能自由传播,因为宇宙是如此的热和稠密。

当时流行的理论是,当第一颗恒星开启时,它们会提供紫外线辐射,从而改变氢原子的分布。这种转变被天文学家称为21厘米超精细线。这意味着氢气将从宇宙微波背景中吸收光子,在无线电频谱中留下一个特征,今天在低于200兆赫的无线电频率上可以观测到这个特征。这个早期的海浪强度将提供气体温度的指示。

鲍曼和他的同事使用了位于澳大利亚西部的小型地面无线电天线“EDGES”,用来探测全球再电离时代的信号。他们在78兆赫兹处检测到了这一特征,这符合他们预期的范围,但信号幅度较大,表明原始气体比预期更冷。

鲍曼说,他们调查了可能的解释,并联系了同事,寻求帮助和想法。

他说:“在宇宙这个年龄,很难找到增加无线电背景的机制,而对气体温度可能比预期低的解释则更值得评估。”

特拉维夫大学的一位同事巴尔卡根据以前的观察提出了一个有趣的想法。这种气体可能是通过氢与某种相当冷的物质--暗物质的相互作用而冷却的。

科学家探测到在大爆炸发生后仅1.8亿年形成的氢

鲍曼说:“巴尔卡纳意识到,先前探索暗物质与重子--例如原子--相互作用可能产生的影响的工作,可以应用到我们的观测所探测到的时代,并将提供一种将气体冷却到所需温度的机制。本质上,如果气体与暗物质的相互作用,即使是微弱的,它也会失去黑暗物质的能量并降温。这是我们目前得到的最好的解释,如果它成立的话,那是非常令人兴奋的。”

随着更多的天体物理学家分析他们的研究,可能会出现更多的想法。但是,很难想象出任何其他的物体或过程在这些早期就能产生这样的效果。

但是,由于Bowman和天文学家在ASU,麻省理工学院和科罗拉多大学对天线和其他EDGES系统进行了升级,科学家们特别感兴趣的是,他们发现了来自第一颗恒星的光的特征,而且无线电波的轮廓符合理论上的预测,即如果氢确实受到第一颗恒星的影响,会产生什么。


分享到:


相關文章: