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第一束光：解开宇宙的秘密。秘密|解开|恒星|鲍曼|无线电|宇宙---

【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】很久以前，宇宙开始（大爆炸）之后大约40万年，宇宙是黑暗的。没有恒星或星系，宇宙中主要充满了中性的氢气。然后在接下来的50~1亿年里，重力慢慢地把密度最大的区域拉到一起，直到最终气体在一些地方坍缩形成了第一批恒星。那些最初的恒星是什么样子的？它们是什么时候形成的？它们是如何影响宇宙的其他部分的？这是天文学家和天体物理学家长期以来一直在思考的问题。现在经过12年的实验，由地球和太空探索天文学家Judd Bowman领导的一个科学家小组发现了宇宙中最早的恒星的特征指纹。

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艺术绘制展示了宇宙的第一个，巨大的，蓝色的恒星嵌在气体的细丝中，宇宙微波背景只是在边缘可见。来自亚利桑那州立大学的nsf资助的研究人员Judd Bowman和他们的同事通过对遥远宇宙的无线电观测，发现了这些早期恒星对原始气体的影响。虽然他们不能直接看到大质量恒星发出的光，但鲍曼的团队能够从宇宙微波背景(CMB)的暗调中推断出它们的存在，这是吸收恒星紫外光的气体细丝的结果。CMB比预期的更暗淡，这表明丝可能比预期的更冷，可能来自与暗物质的相互作用。图片版权：N.R.Fuller, National Science Foundation

利用无线电信号，这一发现为我们的宇宙谱系树中最古老的祖先提供了第一个证据，这棵树诞生于宇宙诞生后的1.8亿年前。有一个很伟大的技术挑战做这个检测，噪音的来源可以一千倍的亮度信号——就像在飓风并试图听到蜂鸟的翅膀的拍打。Peter Kurczynski说：美国国家科学基金会项目官员支持本研究，这些研究人员在沙漠中使用小型无线电天线比最强大的太空望远镜看得更远，打开了早期宇宙的新窗口。

射电天文学

为了找到这些特征指纹，鲍曼的研究小组使用了一种地面仪器，叫做无线电光谱仪，位于澳大利亚西部的国家科学机构(CSIRO) Murchison无线电天文台(MRO)。通过他们的实验来检测全球的EoR特征(边缘)，研究小组测量了所有南半球天空中接收到的所有天文信号的平均无线电频谱，并寻找能量的微小变化作为波长(或频率)的函数。当无线电波进入地面天线时，它们被接收器放大，然后通过计算机进行数字化和记录，类似于调频无线电接收器和电视接收器的工作方式。不同之处在于，这台仪器的校准非常精确，而且设计得要尽可能均匀地在许多无线电波中进行。

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在每一种仪器中，无线电波都是由一个由两个矩形金属板组成的天线收集的，这些金属板水平地安装在金属网上方的玻璃纤维腿上。边缘检测要求Murchison无线电天文观测站的无线电静音，因为澳大利亚的国家立法限制了在该地点附近使用无线电发射机。这一发现为后续观测提供了其他强大的低频设施，包括HERA和即将到来的SKA-low。图片版权：CSIRO Australia

在这项研究中，无线电光谱仪检测到的信号来自于原始的氢气，它充满了年轻的宇宙，并且存在于所有的恒星和星系之间。这些信号蕴含着丰富的信息，为早期恒星(以及后来的黑洞和星系)的形成和演化打开了新的窗口。鲍曼说：在我们的有生之年不太可能看到恒星的历史。这个项目表明，一种有前途的新技术可以发挥作用，为几十年来新的天体物理学发现铺平了道路。

这一发现突出了MRO的特殊的无线电静音，尤其是当边缘重叠的特征与FM广播电台使用的频率范围重叠时。澳大利亚的国家立法限制在161.5英里(260公里)内使用无线电发射机，大大减少了干扰，否则可能会淹没敏感的天文观测。这项研究的结果最近由鲍曼在《自然》杂志上发表，麻省理工学院的Haystack天文台的Alan Rogers，科罗拉多大学的Raul Monsalve，以及ASU的地球和太空探索学院的Thomas Mozdzen和Nivedita Mahesh共同发表了这一研究成果。

意想不到的结果

实验结果证实了最初恒星形成时的一般理论预期和早期恒星最基本的性质。麻省理工学院的Haystack天文台的合著者罗杰斯说：这一时期发生了什么？是一些来自第一颗恒星的辐射开始让氢被看到。它导致氢开始吸收背景辐射，所以开始看到它的轮廓，特别是无线电频率。这是恒星开始形成的第一个真实信号，并开始影响周围的介质。该团队最初调整了他们的仪器，以在宇宙时间后观察，但在2015年决定扩大搜索范围。一旦我们把系统调到这个低的范围，我们就开始看到我们觉得可能是真正的特征签名。

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宇宙的时间线，在第一批恒星出现时更新。这个更新的宇宙时间轴反映了最近的发现，即在大爆炸后的1.8亿年后出现了第一批恒星。这个时间线的研究是由亚利桑那州立大学的Judd Bowman和他的同事在国家科学基金会的资助下进行的。图片版权：N.R.Fuller, National Science Foundation

我们看到这种下降最强烈的频率大约是78兆赫，而这一频率相当于大爆炸后大约1.8亿年。就直接探测氢气本身发出的信号而言，这必须是最早的。这一概念最初是由特拉维夫大学的热娜·巴卡那研究发现，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或物理，这可能是第一个非标准的证据：具体而言,这重子(正常物质)可能与暗物质,慢慢失去能量，暗物质在宇宙早期。

如果Barkana的想法得到证实，那么就知道到一些关于神秘暗物质的新东西和基础知识，这些暗物质构成了宇宙中85%的物质，这让我们第一次看到了超越标准模型的物理学。在这方面的研究的下一步是另一个仪器来证实这个团队的发现并不断提高仪器的性能，以便更多的了解早期恒星的特性。鲍曼说：在过去两年里我们非常努力地验证了这一发现。但是让另一组人独立证实这一发现是科学过程中的一个关键部分。鲍曼也希望看到加速新射电望远镜的努力，比如Reionization Array (HERA)和欧文斯谷长波长阵列(OVRO-LWA)。

Bowman说：现在我们知道了这个信号的存在，需要快速地将新的无线电波望远镜带来，这样就能更深入地探测信号。在这个实验中使用的天线和接收器部分是由罗杰斯和麻省理工学院的Haystack天文台团队设计和建造的。ASU团队和Monsalve将自动天线反射测量系统添加到接收机中，将控制棚与电子设备相匹配，建造了地面飞机，并为该项目进行了现场工作。当前版本的边缘是经过多年设计迭代和不断详细的技术改进的结果，以达到成功实现这一困难测量所需的精确程度。

知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：Nature
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：亚利桑那州立大学
编译：中子星
审校：博科园
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传播：博科园