寻找宇宙第一缕曙光

清莲

寻找宇宙
第一缕曙光

　　本报记者 李月红 科学达人 黄璇

　　“神十”飞天，再次激起无数人对太空宇宙的向往。仰望宇宙，在天文学领域，有一个最浪漫的科研探索——探测宇宙第一缕曙光，它将直接回答宇宙在大爆炸后什么时刻形成第一代恒星的命题。

　　很多人不知道，对宇宙第一缕曙光的最初科研探寻，是由中国科学院牵头的“21CMA”项目。这是世界上较早建成且目前在国内唯一正在运行的大科学装置，这也是我国“973”项目之一，一个建成后即被《科学》、《自然》杂志称为“可获重大突破的科学举措”。

　　宇宙第一缕曙光如何被探寻，进展如何？本报记者特别采访了项目首席科学家及其研究人员顾俊骅。

　　选址新疆 布阵射电群

　　21CMA基地，位于新疆天山南北之间的乌拉斯台基地。

　　沿216国道从乌鲁木齐市出发，途经一号冰川并翻越4280米的冰达坂，4个小时的颠簸后，基地就在这里。这是一段十分危险的路：空气稀薄、终年积雪。尤其是在经过被称为“老虎口”的路段时，位于冰达坂的顶端，是216国道的必经之路。路边山石陡峭，气候恶劣。这也是最快的路。如果坐火车，得先到和静，再驱车两小时才能到目的地，需要10多个小时。这个季节，这里气温还很低，僵硬的土地上一片荒芜，每天下午狂风裹挟着沙粒定时“造访”。

　　基地呈一个庞大的T型低频射电干涉望远镜阵列： 由南北4公里、东西6公里两条基线，共81组、总计10287个天线构成。这个基地的主要科学目标是力争50MHz~200MHz(对应的宇宙红移大约为6~27)频率范围内，发现与宇宙第一代发光天体密切相关的中性氢21厘米辐射特征，进而揭示宇宙从黑暗走向光明的历史。

　　21CMA是世界上最早开展搜寻宇宙第一缕曙光的唯一大型射电望远镜阵列。据了解，2003年8月，我国天文学家提出在新疆天山地区建筑用于探测宇宙第一缕曙光的大型低频射电阵列21CMA，在中国科学院创新重要方向性项目和国家天文台台长择优经费的支持下，迅速组建项目队伍。两年后，基地开始了对“宇宙第一缕曙光”的不懈探求。

　　“选址于此，是为了避免城市光污染以及各种潜在的探测干扰。”从学生时代就已参与项目的顾俊骅说，新疆天山地区电波环境相对干净，虽然这里进行科学实验对科研人员而言会相对辛苦，但远离人类活动的测量环境是项目比欧美等国家在观测质量上更有优势的地方。

　　捕捉曙光 揭秘恒星史

　　宇宙中第一代发光天体(如恒星)是何时诞生的？人类能否看到宇宙中诞生的第一缕曙光？能否看到宇宙从黑暗走向光明的整个过程？一直以来，探寻黑暗时代的奥秘成为所有天文学家梦寐以求的事情。

　　目前，天文学家只能观测到距今130亿年的星光，再往前追溯很难，除了宇宙大爆炸时留下的一些辐射信号外，人类观察不到其他任何光信号。

　　人们今天所能观测到的最远宇宙“边界”是大爆炸遗留下的余晖。在这些余晖冷却下来后，宇宙中主要的物质成份是暗物质、中性的氢和氦。虽然此时没有恒星的形成，但处于基态的中性氢由于自身电子和核自旋取向的不同形成了一个微小的能级差别：百万分之六电子伏特，对应光子频率1420兆赫兹或波长21厘米。

　　所以，人们曾天真地期望黑暗时代的宇宙在21厘米是可观测的。然而，微弱的中性氢21厘米辐射很不幸地淹没在了宇宙大爆炸的余晖中，除非存在一种机制破坏中性氢21厘米辐射和宇宙大爆炸背景辐射之间的平衡——这种机制就是来自宇宙中第一代发光天体的诞生!

　　“探测宇宙第一缕曙光是回答‘宇宙在大爆炸后什么时刻形成第一代恒星’的问题。”项目首席科学家表示，当宇宙中诞生的第一批恒星发射的光芒照亮了宇宙，周围的中性氢就会被电离，从而中性氢21厘米辐射与宇宙背景辐射的平衡被破坏了，我们就会真正观测到来自宇宙黑暗时代中性氢的辐射，反过来则可间接探测到宇宙中诞生的第一批发光天体并描绘出宇宙从黑暗走向光明的整个过程和第一代恒星诞生的全部历史。

　　毫无疑问，探测宇宙第一缕曙光是当代天体物理非常前沿的课题。《科学》和《自然》杂志都曾先后对此作过报道。

　　探索之路 艰辛而漫长

　　据介绍，项目运行8年，进展迅速，取得了多项成果，包括在国内首次实现了利用低频射电手段捕获宇宙射线事例以及天文被动雷达原理验证等重要成果，但距离最终科学目标，仍有遥远的路程要走。

　　这个项目的测量难度决定了这会是一个“重大且长久的工程”。由于观测的宇宙再电离信号离我们十分遥远，所以在数据采集中最主要的麻烦就是信号太弱，这又主要受制于3个因素，首先是仪器噪声；其次是宇宙辐射，它指的是我们与目标天体之间的其他天体所发射电磁波的干扰，这个干扰的量级大概是1万~10万倍于目标信号；第三个就是微弱图像的处理。

　　这个实验所需的数据采集、汇总分析都需要以“年”为单位的时间来积累计算，要做大量的数据处理工作。其实，目前各国基本上都是争相宣传自己，均为阶段性研究进展，很难说谁做得更领先；但可以肯定的是，不管是谁率先能发现宇宙的第一缕曙光，都绝对是一个轰动性的研究成果。

　　科学，需要探索的精神。项目成员表示，“第一缕曙光”是一个全新的领域，没有成熟的东西可以借鉴和使用。在申请973项目之时，项目首席科学家就曾坦诚地表示：成功的概率是51%，失败的概率是49%。然而，评委们的眼光是前瞻性的，他们表示，要支持一些有风险的、可能取得突破的重大项目。今天，经过科学家的艰辛努力，曙光就在前头。“再过5年左右的时间，宇宙的‘第一缕曙光’可能就会被看到。”

　　目前，在世界范围内，走在这个研究领域前列的研究团队包括欧洲的LOFAR、澳大利亚的MWA、美国的PAPER和中国的21CMA等团队。美国天文学研究的第六个“十年计划”（2010年-2020年），从29个项目中挑出了8个较有说服力的项目列入“中级创新计划”。计划中就包括与21CMA研究主旨相似的“再电离时期氢阵列，观测红移21厘米辐射以及宇宙的再电离和第一代恒星的形成”课题。

　　就像人类天马行空地将探测器发射到外太空，不断地向外星人发出友好的信号一样，富有诗意的想象，照耀着科学不断前行，愿探测宇宙第一缕曙光之谜早日揭开。