科學家探測到在大爆炸發生後僅1.8億年形成的氫

科學家探測到在大爆炸發生後僅1.8億年形成的氫

科學家們利用小型射電望遠鏡發現了宇宙大爆炸1.8億年後形成的原始氫氣雲發出的微弱無線電波。這是所觀察到的最早的氫信號。他們還發現證據表明,早期宇宙中的第一批恆星已經在此時閃爍。雖然他們的觀測結果符合對我們宇宙起源的大多數理論預測,但也有一點神秘的是:氫氣的溫度比預期的要低。

亞利桑那州立大學的賈德·鮑曼(Judd Bowman)認為:“我們的觀測結果與大爆炸是一致的。它們也符合我們對宇宙中第一顆恆星形成時間的期望。”但他們認為,我們至少漏掉了一個謎團--要麼是目前存在的產生更多無線電波的其他東西,要麼是某種機制使氣體冷卻得比預期的更多。

鮑曼說,在這些觀測之前,天文學家們希望基於物理模型和先前對宇宙微波背景--宇宙早期階段遺留下來的電磁輻射--的觀測,更好地瞭解原始氣體的溫度。

他說:“我們預計,氣體從大爆炸38萬年後形成之時起,直到恆星開始出現時,都會緩慢冷卻。”然而,我們探測到的信號的強度要求在早期宇宙中背景無線電波的強度要比預測的要大,或者氣體要比預期的要冷。

科學家探測到在大爆炸發生後僅1.8億年形成的氫

雖然天文學家通常依靠光進行觀測,但對觀測早期宇宙最有用的是無線電波--特別是微波。通過研究這部分電磁光譜,他們可以測量宇宙微波背景,這是現存最古老的光。在此之前,宇宙實際上是不透明的:因為宇宙是如此的熱和稠密,光不能自由傳播,因為宇宙是如此的熱和稠密。

當時流行的理論是,當第一顆恆星開啟時,它們會提供紫外線輻射,從而改變氫原子的分佈。這種轉變被天文學家稱為21釐米超精細線。這意味著氫氣將從宇宙微波背景中吸收光子,在無線電頻譜中留下一個特徵,今天在低於200兆赫的無線電頻率上可以觀測到這個特徵。這個早期的海浪強度將提供氣體溫度的指示。

鮑曼和他的同事使用了位於澳大利亞西部的小型地面無線電天線“EDGES”,用來探測全球再電離時代的信號。他們在78兆赫茲處檢測到了這一特徵,這符合他們預期的範圍,但信號幅度較大,表明原始氣體比預期更冷。

鮑曼說,他們調查了可能的解釋,並聯繫了同事,尋求幫助和想法。

他說:“在宇宙這個年齡,很難找到增加無線電背景的機制,而對氣體溫度可能比預期低的解釋則更值得評估。”

特拉維夫大學的一位同事巴爾卡根據以前的觀察提出了一個有趣的想法。這種氣體可能是通過氫與某種相當冷的物質--暗物質的相互作用而冷卻的。

科學家探測到在大爆炸發生後僅1.8億年形成的氫

鮑曼說:“巴爾卡納意識到,先前探索暗物質與重子--例如原子--相互作用可能產生的影響的工作,可以應用到我們的觀測所探測到的時代,並將提供一種將氣體冷卻到所需溫度的機制。本質上,如果氣體與暗物質的相互作用,即使是微弱的,它也會失去黑暗物質的能量並降溫。這是我們目前得到的最好的解釋,如果它成立的話,那是非常令人興奮的。”

隨著更多的天體物理學家分析他們的研究,可能會出現更多的想法。但是,很難想象出任何其他的物體或過程在這些早期就能產生這樣的效果。

但是,由於Bowman和天文學家在ASU,麻省理工學院和科羅拉多大學對天線和其他EDGES系統進行了升級,科學家們特別感興趣的是,他們發現了來自第一顆恆星的光的特徵,而且無線電波的輪廓符合理論上的預測,即如果氫確實受到第一顆恆星的影響,會產生什麼。


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