宇宙起源大揭秘

访客 宇宙探索 2018-03-08 422 0

宇宙起源大揭秘

很久很久以前,大概在宇宙开端(大爆炸)的40万年期间,宇宙还是处于黑暗状态的。那时候没有恒星或者星系,整个宇宙主要由暗淡的氢气填充。

在之后又经过5千万到1亿年,引力慢慢地把最密集的气体区域拉到一起,直到最终气体在某些地方塌缩,形成第一颗恒星。

那些最初的恒星是什么样子的,它们是什么时候形成的?它们是怎么影响剩下的宇宙的呢?这些都是天文学家和天体物理学家长期思考的问题。

现在,经过12年的实验努力,一个由科学家组成的团队,亚苏地球与太空探索学院天文学家朱德·鲍曼(Judd Bowman)领导的团队,发现了宇宙中最早的恒星的“指纹”。,这一探测利用无线电信号为宇宙家族中最古老的“祖先”提供了第一证据,他们出生于宇宙大爆炸后一亿八千万年。

“做这个探测有很大的技术挑战,因为噪声源比我们想要的信号要亮一千倍——这就像置身于飓风中,却试图想要听到蜂鸟拍打翅膀的声音。”支持这项研究的国家科学基金会项目官员彼得·库尔钦斯基说。“这些研究人员在沙漠中安装了小型无线电天线,他们看到的远比最强大的太空望远镜更远,为探索早期宇宙打开了一扇新的窗户。”

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射电天文学

为了找到这些“指纹”,鲍曼的团队使用了一种被称为无线电分光计的地面仪器。通过他们的实验来检测全局的EOR特征,研究小组测量了在南半球大部分天空接收到的所有天文信号的平均无线电频谱,并寻找功率随波长变化的小变化。

当无线电波进入地面天线时,它们会被接收器放大,然后由计算机进行数字化和记录,类似于fm收音机和电视接收器的工作方式。不同之处在于,该仪器是经过非常精确的校准和设计,以尽可能一致地执行在许多无线电波长。

在这项研究中,无线电分光计探测到的信号来自于充满年轻宇宙并存在于所有恒星和星系之间的原始氢气。这些信号包含着丰富的信息,打开了一扇了解早期恒星以及后来的黑洞及星系是如何形成和演化的新窗口。

“我们不太可能在有生之年能看到更早的恒星历史。”鲍曼说,“这个项目表明,一种很有前途的新技术可以发挥作用,并为几十年来新的天体物理学发现铺平了道路。”#p#分页标题#e#

这项研究的结果最近被发表在《自然》杂志上。

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意外的结果

本实验的结果证实了一般的理论预期,即第一颗恒星何时形成,以及早期恒星最基本的性质。

“这一时期发生了什么,”鲍曼说,“是第一颗恒星的一些辐射开始允许氢被看到,它导致氢开始吸收背景辐射,所以你开始看到它的轮廓,特别是无线电频率。这个信息表明了恒星开始形成,开始影响它们周围的物质。”

研究小组最初调整了仪器,以便在宇宙时间稍晚一些时候观察,但在2015,他们决定扩大搜索范围。罗杰斯说:“一旦我们将系统切换到这个较低的范围,我们就开始看到一些我们觉得可能是真正的信号的东西。我们看到这种下降的强度最大,在78兆赫左右,而这种频率相当于大爆炸后的大约一亿八千万年。就直接探测氢气本身发出的信号而言,这是最早的。”

这项研究还显示,宇宙中的气体可能比预期的要冷得多(不到预期温度的一半),这表明,要么天体物理学家的理论努力忽略了一些重要的东西,要么这可能是非标准物理学的第一个证据:具体来说,重子(正常物质)可能与暗物质相互作用,并在早期宇宙中慢慢地将能量丢失给暗物质。这个概念最初是由特拉维夫大学的巴卡纳提出。

“如果巴卡纳的观点得到证实,”鲍曼说,“那么我们就学到了一些关于构成宇宙中85%的神秘暗物质的新的和基本的概念,这为我们提供了超越标准模型的物理学的第一印象。”

在这一研究领域,下一步是另一台仪器来确认这个团队的探测,并不断改进仪器的性能,以便更多地了解早期恒星的特性。鲍曼说:“过去两年里,我们非常努力地验证了检测结果,但让另一个小组独立验证是科学过程中的一个关键部分。”

鲍曼还希望看到人们加快努力,引进新的射电望远镜,如氢时代的再电离阵列(Hera)和欧文斯山谷长波长阵列(Ovrolwa)。鲍曼说:“既然我们知道了这个信号的存在,我们就需要迅速地上线新的射电望远镜,这样才能更深入地挖掘信号。”

本实验使用的天线和接收机部分由罗杰斯和麻省理工学院干草堆天文台团队设计和制造。ASU团队和Monsalve在接收机中增加了自动天线反射测量系统,为控制棚屋安装了电子设备,构建了地面平面,并为该项目进行了现场工作。目前版本的边缘是经过多年设计迭代的结果。并不断对校准仪器进行详细的技术改进,以达到成功实现这一困难测量所需的精度水平。#p#分页标题#e#


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