2DARK天文志

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21cm谱线从何而来

我们知道，世界上的各种事物都是由各种化学元素组成的，目前已经发现的化学元素有100多种，科学家们将这些元素按照各种性质排列成一张元素周期表，表中的第一号元素为氢元素。对于一个处在基态（能量最低的状态）的中性氢原子，其电子自旋所产生的磁矩相对氢核(质子)自旋所产生的磁矩有两种可能的取向：平行（见下图上）或反平行（下图下）。也许有些读者不理解自旋和磁矩的意义，完全没有关系，我们可以把它当作学术不去做过于深入的追究，只需要知道由于这两种不同的取向，使得前者的能量高于后者。当一个电子从能量高的状态跳跃到能量低的状态时，就会发出一个频率为1420.406兆赫兹的光子，这就是21cm氢谱线辐射。

我们的星
际空间大部分是低温、低压、低密度区域，这里的绝大部分原子、分子都处在最低能级的基态上。在这种条件下，它们几乎不可能辐射可见光，而且诸如尘埃、暗
云、黑云一类的星际物质对可见光是不透明的，因此，用光学手段研究星际区域是很困难的。但是，这些区域的氢原子却可以辐射21cm谱线，它也不会被那些星际物质吸收，所以21cm谱线成了探测宇宙空间的有力武器。它是研究星际中性氢原子分布、银河系和河外星系结构的重要手段。

21cm谱线和早期宇宙

21cm谱线除了被用来探测宇宙中中性氢分布和相关的物质结构外，还是探索宇宙再电离时期的重要探针。

先来谈谈什么是宇宙再电离时期。之前在有关宇宙微波背景辐射的内容中已经提到诞生于大爆炸的早期宇宙经历了暴涨时期、复合时期以及光子于重子物质的退耦
阶段。那时的宇宙中的粒子已经摆脱了极早期的电离状态，变得中性，但第一代恒星和星系等一些明亮的天体还未形成，于是宇宙依然处在“黑暗时代”(Dark
Age)。经历了漫长的黑暗岁月后，宇宙中诞生了第一批明亮的天体，在亮天体的高能辐射作用下，亮天体周围的中性气体受到高温的影响又重新电离，宇宙中再度充斥着电离粒子，这个阶段被称为宇宙的再电离时期（Reionization）。我们可以从图4-2-6中更详细地了解到这种演化过程：

21cm氢谱线辐射来源于中性氢，用化学的语言来描述，这种辐射实际上是“禁忌的”，意味着它的发生次数很少。另外它对周围环境温度的依赖也非常大，这说明当宇宙从黑暗时期进入再电离时期后的温度变化将会导致更多的21cm氢谱线辐射。如果我们能够探测到来自宇宙再电离时期的21cm氢谱线辐射并对其进行深入研究，那将有助于人类了解到宇宙早期结构形成的更多重要信息。尽管对来自宇宙再电离时期21cm氢谱线辐射的观测还处在襁褓阶段，但已经有一些观测项目正在进行中，比如“低频率天线”（Low
Frequency Array, LOFAR），天文学家们希望通过努力能在不久的将来探测到这一来自早期宇宙的宝贵信息。

 

在第一批明亮的天体诞生前，来自宇宙中性氢的21cm谱线辐射非常不幸地被淹没在了宇宙大爆炸的光辉中（即与宇宙微波背景辐射耦合在一起）而无法被探测到。随着宇宙中第一批明亮天体的诞生和再电离过程的不断进行，宇宙中的中性组分越来越少，中性氢自然也被不断电离，使得中性氢21cm辐射与宇宙微波背景辐射的平衡被破坏了，于是我们有机会观测到来自中性氢的辐射。通过观测宇宙再电离时期中性氢的21cm谱线辐射，天文学家们能够得到宇宙中诞生的第一批发光天体的宝贵信息，进而描绘出宇宙从黑暗时期走向光明时代的过程，谱写出第一代恒星诞生的完整历史。

 

 

宇宙的演化历史和宇宙再电离时期（图片版权：S.G.Djorgovski
et al. & Digital Media Center, Caltech）

人类目前对来自宇宙再电离时期的21cm氢谱线辐射的观测还处在襁褓阶段，但已经有一些观测项目正在预备，比如“低频率天线”（Low
Frequency Array, LOFAR），另外我国国家天文台的武向平研究员也在致力于这方面的观测项目。

LOFAR目前正在建造过程中，它是由2.5万个小型天线构成的一个天文台网络。为了获得足够清晰锐利的射电图像，这些天线分别建造在荷兰、德国、瑞典、法国和英国，覆盖一个直径350公里的区域。当2009年这些天线建造完成后，这些分布式射电阵列将共同扫描宇宙中低射电频率射线。

在武向平研究员主持下建造的21cm阵（21CMA）位于我国西部新疆。它是目前世界上最早开展搜寻宇宙第一代恒星光芒的唯一大型射电望远镜阵列，它的工作频率范围为50
到
200
MHz。

21cm氢谱线辐射的观测之所以处在襁褓阶段，很大的原因在于其观测上的难度。随着宇宙的膨胀，发生在宇宙黑暗时代的21cm辐射波长也被不断拉长到了米波的波段。非常不幸地，这恰好是电视台和调频广播的波段，大量的射电干扰使得21cm谱线的观测工作困难重重。正是因为来自电视台和调频广播的射电干扰，21CMA的建造地址才不得不选择到无线电环境相对宁静的新疆地区。

除了射电干扰，21cm谱线辐射的观测还面临各种其他艰巨的挑战。首先，21cm谱线辐射的信号很弱，这就要求天线具有足够大的面积来收集信号。另外，因为对观测结果的分辨率有一定的要求，所以天线的基线就必须足够长。最后，为了更有效地获得有用的信号，消除其他科研上所不需要的信号，研究人员们必须发展相应的数据处理软件及可信的算法。

为了使21cm谱线辐射的观测在将来获得成功，科学家们还有不少困难需要克服。但无论如何，人类对未知世界的探索精神总是不可阻挠的。