宇宙的第一缕曙光已被人类签收，暗物质正在来的路上来自哈佛大学的理论天体物理学家 Avi

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来自哈佛大学的理论天体物理学家 Avi Loeb表示，如果该发现进一步得到确认，那么它将有机会获得两次诺贝尔奖。因为我们不仅捕捉到了来自宇宙中第一批恒星发出的信号，同时也找到了暗物质存在的间接证据。

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○观测表明，宇宙的第一批恒星在大爆炸后的1.8亿年后被点亮，它们看起来应该是蓝色的，辐射出的紫外线会与氢气相互作用。|图片来源:N.R. FULLER/NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

宇宙大爆炸的那一瞬间或许是极致明亮而壮观的，但在大爆炸发生之后，宇宙很快便陷入了长久的黑暗之中。那个时候，宇宙中没有恒星或星系，并充满了中性氢气。在接下来的5千万到1亿年间，引力慢慢地在气体密集的区域发生作用，并最终导致了在某些地方气体坍缩形成了第一批恒星

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但是，这第一批恒星究竟长什么样?在什么时候以及如何产生的?又是如何影响宇宙在未来的演化?这些问题是天文学家和天体物理学家长久以来想要揭开的。

但由于目前的望远镜的灵敏度还不足对这些恒星发出的光线进行直接观测，因此天文学家一直努力在寻找它们存在的间接证据。

现在，在历经了12年的努力之后，由天文学家Judd Bowman带领的团队用一个名为“EDGES

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”的只有餐桌大小的射电天线，捕捉到了这些恒星发出的微弱信号。这一让人惊叹的测量结果为探索早期宇宙打开了一扇新的窗口。据计算，这些恒星应该出现在大爆炸之后的1.8亿年左右。科学家将这一结果发表在《自然》杂志之后[1]，立刻吸引了广泛的关注。尤其是这项研究的结果还表明，我们是时候重新思考神秘的“暗物质”究竟是由什么组成的了。

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○位于澳大利亚西部的默奇森射电天文台的射电天线EDGES。|图片来源:CSIRO Australia

根据现有的模型，科学家推测照亮宇宙的第一批恒星应该是蓝色且生命周期短暂的，它们会辐射大量的紫外线。长久以来，我们一直将这种在宇宙黎明时期发出的最早的可观测信号认作为一种“吸收信号

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”，即一种在特定波长处的亮度下降--这发生在当光穿过氢气云并影响氢气的物理特性时。

我们知道这个“凹陷”应该出现在电磁波谱的射电波区域，波长为21厘米

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○氢原子包含了一个质子和一个电子。21厘米氢线来自于当含有质子-电子组合的自旋(spin)为平行(上)翻转成反平行自旋(下)时，发出的一个源自于特定波长的特殊光子。|图片来源:Wikimedia Commons

充满挑战的测量

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然而上述的一切都只是理论上的预测。在实际操作中，捕捉这种信号是非常具有挑战性的。因为它会与这个频谱区域中的许多其他信号重叠，而从FM收音机或星系中的其他事件发出的射电波要比它强得多。这次探测之所以能取得成功的部分原因要归功于实验中用到的灵敏接收器和小型天线，这让研究人员可以更轻松地覆盖大面积的天空。

为了确保他们发现的任何亮度下降都是来自早期宇宙中的星光，研究人员需要通过多普勒效应

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来进行检测:由于宇宙正在膨胀，所有的星系都在逐渐远离我们，因此光的波长会被拉长(偏红)，也就是天文学家常说的“红移

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”。

红移能让我们知道某一特定气体云距离地球有多远，并让我们了解这些光线是从何时发射出来的。在这种情况下，任何预计在21厘米波长处的亮度下降都表明着气体的移动方式和位置。天文学家对宇宙中一段时间内的亮度下降进行了测量，发现最剧烈的情况发生在宇宙诞生后的1.8亿年左右。这就是来自第一批恒星的光芒。

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○图中所示的巨大“凹陷”是这次最新研究里的直接结果，它显示了当宇宙年龄在1.8-2.6亿年之间，明显的21厘米辐射信号。这预示着宇宙中第一批恒星和星系的开启。|图片来源:J.D. Bowman et al., Nature, 555, L67 (2018)

暗物质之谜

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而故事并没有就此结束。天文学家惊讶地发现这一信号的振幅比预测的还要高出两倍之多。这意味着氢气的温度比背景辐射预期的要低得多。

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这一发现被刊登在《自然》杂志的另一篇论文中[2]，引发了理论物理学家的高度关注。因为根据物理学推测，在这个时期内的宇宙中，加热气体是件容易的事，但冷却却应很难。作者认为，若要解释这个信号，就必须有多余的冷却产生，因此气体必须与某种温度更低物质的相互作用

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，而宇宙早期唯一比这种气体更冷的东西就只有暗物质

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。现在，理论学家必须对是否要通过扩展宇宙学和粒子物理学的标准模型以解释这种效应做出抉择。

我们知道暗物质比普通物质要多出五倍，但我们仍然不知道暗物质是由什么构成的。在众多暗物质粒子的候选者之中，弱相互作用大质量粒子(WIMP)是目前最受欢迎的。

然而这次的新研究却暗示着，暗物质粒子的质量不会比质子重很多(质子与中子共同构成了原子核)。这远远低于我们对WIMP质量的预测。分析结果还表明暗物质比预期的更冷，并开启了用“21厘米宇宙学”作为探寻暗物质的新武器的可能性。通过提高接收器的灵敏度，并减少地面的射电干扰，我们能进一步的揭示更多与暗物质相关的细节。这或许能通过在月球的黑暗面上放置一个干涉仪一类的操作来实现，随着探测技术的进步，我们甚至可能探测暗物质的运动速度。

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○宇宙演化的时间线，第一批恒星出现的时间被确定为

这对于正在澳大利亚和南非研发下一代巨型射电望远镜或干涉仪阵列(SKA-平方千米射电阵)的射电天文学家、以及其他致力于研究宇宙曙光的前沿实验来说，是一个绝佳的时间点。

让科学家为之激动的时刻已经到来了。

编译:Zwicky

参考来源:

[1] http://www.nature.com/articles/doi:10.1038/nature25792

[3] https://theconversation.com/experiment-picks-up-light-from-the-first-stars-and-it-may-change-our-understanding-of-dark-matter-92615