科学家们比以往任何时候都更接近宇宙黎明的信号

普罗维登斯,R.I.(布朗大学)——大约120亿年前,随着第一批恒星和星系被点亮,宇宙从一个巨大的宇宙黑暗时代中诞生。通过对默奇森·维德菲尔德阵列(MWA)射电望远镜收集的数据进行新的分析,科学家们现在比以往任何时候都更接近于探测到这个宇宙历史转折点的超微弱信号。

在ArXiv预印网站一篇即将发表在《天体物理学杂志》上,研究人员展示第一分析数据从一个新的配置MWA专门寻找信号的中性氢,宇宙气体,主要在宇宙的黑暗时代。分析为中性氢信号的强度设定了一个新的极限——迄今为止的最低极限。

“我们可以有把握地说,如果中性氢信号比我们在论文中设定的极限强,那么望远镜就会探测到它,”布朗大学(Brown University)物理学助理教授、这篇新论文的通讯作者乔纳森·波伯(Jonathan Pober)说。“这些发现可以帮助我们进一步限制宇宙黑暗时代结束和第一批恒星出现的时间。”

这项研究由李文阳领导,他是布朗大学的博士生。李和波伯与一个与MWA合作的国际研究小组进行了合作。

尽管它在宇宙历史上很重要,但人们对第一颗恒星形成的时期知之甚少,这一时期被称为再电离时代(EoR)。大爆炸后形成的第一批原子是带正电的氢离子——这些原子的电子被早期宇宙的能量剥夺了。随着宇宙的冷却和膨胀,氢原子与电子结合形成中性氢。这就是宇宙中大约120亿年前的全部情况,那时原子开始聚集在一起形成恒星和星系。来自这些物体的光重新电离了中性氢,导致它在星际空间中大量消失。 

像MWA这样的项目的目标是定位来自黑暗时代的中性氢信号,并测量它是如何随着EoR的展开而变化的。这样做可以揭示关于第一批恒星的新的和关键的信息——我们今天看到的宇宙的组成部分。但要捕捉到任何120亿年前的信号都是一项艰巨的任务,需要具有高度灵敏度的仪器。

当它在2013年开始运行时,MWA是一个由2048个无线电天线组成的阵列,分布在澳大利亚西部偏远的乡村。这些天线被捆绑成128块“瓦片”,这些“瓦片”的信号由一台名为“相关器”的超级计算机组合。2016年,瓷砖的数量增加了一倍,达到256块,并且改变了它们在景观中的布局,以提高它们对中性氢信号的敏感度。这篇新论文是对扩展数组数据的首次分析。

Image of the MWA radio telescop

中性氢发出的辐射波长为21厘米。随着宇宙在过去的120亿年里不断膨胀,来自EoR的信号现在延伸到了2米左右,这就是MWA天文学家正在寻找的。问题是,还有无数的其他光源也在发出相同波长的光——像数字电视这样的人造光源,以及来自银河系和其他数百万个星系的天然光源。

“所有这些其他来源都比我们试图探测到的信号强很多个数量级,”波伯说。“即使是一架恰好经过望远镜上方的飞机反射回来的FM无线电信号,也足以污染数据。”

为了追踪这些信号,研究人员使用了无数的处理技术来清除这些污染物。同时,它们也解释了望远镜自身独特的频率响应。

“如果我们观察不同的无线电频率或波长,望远镜的表现会有点不同,”波伯说。“校正望远镜的响应对于分离天体物理污染物和感兴趣的信号是绝对关键的。”

这些数据分析技术与望远镜本身的扩容相结合,形成了提高采收率信号强度的一个新的上限。这是MWA连续发布的第二份“迄今为止最好的”分析报告,它给人们带来了希望,即总有一天,该实验能够探测到难以捉摸的EoR信号。

“这项分析表明,第二阶段的升级有很多预期的效果,新的分析技术将改进未来的分析,”Pober说。“MWA已经连续发布了关于信号的两个最佳极限,这一事实给了我们一个动力,即这个实验和它的方法有很大的希望。”

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分资助(资助号1613040)。MWA得到了澳大利亚政府的支持,并承认Wajarri Yamatji是该观测站的传统所有者。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.brown.edu/news/2019-11-26/reionization

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