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我科學家破解天文學難題 提出早期宇宙探索新方法

時間:2023-07-11 11:09:14       來源:光明網(wǎng)-《光明日報》


(資料圖片僅供參考)

光明日報北京7月9日電(記者齊芳、崔興毅)宇宙中第一代星系是如何形成的?它們?nèi)绾握樟梁诎禃r代并迎來宇宙黎明?宇宙早期的星系際介質(zhì)是如何被第一代星系電離并加熱的?這些問題一直是天文學領(lǐng)域致力于解答的重大科學難題。中國科學院國家天文臺和東北大學日前研究提出,利用宇宙黎明時期21厘米森林信號的一維功率譜測量,未來的平方公里陣列射電望遠鏡(SKA)將能夠同時揭秘宇宙第一代星系和暗物質(zhì)的性質(zhì)。

中性氫的21厘米譜線為宇宙黎明與第一代星系提供了獨一無二的探測手段,利用21厘米譜線探測宇宙黎明與再電離也是SKA最重要的科學目標之一。

中性氫的21厘米信號有多種觀測模式。常見的觀測模式是以宇宙微波背景輻射為背景源的21厘米信號測量。同時,宇宙早期各種結(jié)構(gòu)及其周圍的氫原子氣體會在高紅移射電點源的光譜上產(chǎn)生密集的21厘米吸收線,這些吸收線叢被形象地稱為21厘米森林。由于信號微弱,且依賴于宇宙黎明時期的射電亮源的獲取,多年來21厘米森林探測面臨極大挑戰(zhàn);另一方面,21厘米森林信號同時受到第一代星系加熱效應(yīng)和暗物質(zhì)性質(zhì)的影響,觀測上很難區(qū)分這兩種效應(yīng),使得21厘米森林探測在提出以來的二十多年中,難以實際用于限制第一代星系的熱效應(yīng)或暗物質(zhì)的性質(zhì)。

此項工作深入研究了過去鮮有論及的21厘米森林探針,并提出了一種原創(chuàng)性的統(tǒng)計測量方案,使之不僅能夠限制宇宙第一代星系的性質(zhì),還可以同時測量暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量。

近年來,已有一批高紅移射電噪的類星體被發(fā)現(xiàn),且SKA望遠鏡也已進入工程建設(shè)階段,開展21厘米森林觀測已迫在眉睫?!拔覀円庾R到由溫暗物質(zhì)效應(yīng)和加熱效應(yīng)引起的信號變化,在光譜上的尺度分布特征不同,因此通過一維功率譜分析,將可以從統(tǒng)計上提取關(guān)鍵特征以區(qū)分這兩種效應(yīng)?!敝锌圃簢姨煳呐_副研究員徐怡冬說,“而且,如果對同一段光譜的兩次測量做互相關(guān),將能夠顯著壓低噪聲,從而提高信噪比。這對21厘米森林這種弱信號的提取是非常關(guān)鍵的?!?/p>

模擬結(jié)果顯示,一維交叉功率譜測量顯著提高了觀測的靈敏度,同時,一維功率譜的幅度和形狀特征使得信號的尺度依賴性被顯現(xiàn)出來。這使得21厘米森林變得切實可行,且能夠同時測量暗物質(zhì)粒子質(zhì)量和宇宙黎明時期的熱歷史。因此,21厘米森林的一維功率譜確實可以成為一箭雙雕的宇宙學探針,為揭開暗物質(zhì)和第一代星系之謎提供了一種極有前景的新途徑。

據(jù)悉,這一突破性方法的發(fā)展對于解開暗物質(zhì)和宇宙早期天體形成的奧秘具有重要意義,將進一步推動我們對暗物質(zhì)的理解,揭示宇宙結(jié)構(gòu)形成及演化的過程。通過更深入的觀測和分析,我們有望在不久的將來獲得關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)和早期星系形成的更多見解,進一步拓展我們對宇宙的認知。

《光明日報》(2023年07月10日?08版)

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