近期有望偵測到宇宙第一顆星星的光_風聞

原創：牧夫天文

翻譯：田程偲

校對：郭皓存

編排：胡暖暖

後台：庫特莉亞芙卡 李子琦

原文鏈接：

https://www.universetoday.com/144188/astronomers-are-about-to-detect-the-light-from-the-very-first-stars-in-the-universe/

一個科學家團隊正在嘗試使用默奇森寬場陣列（Murchison Widefield Array，簡稱MWA）射電望遠鏡，尋找來自宇宙第一代恆星發出的信號。最初的恆星是在宇宙黑暗時代之後形成的。為了找到它們的“第一束光”，研究人員嘗試着找到中性氫的信號，因為中性氫是黑暗時代之後宇宙中物質的主導成份。

MWA射電望遠鏡正在搜尋第一代恆星發出的信號。

Credit: Goldsmith/MWA Collaboration/Curtin University

初代恆星並不是在宇宙誕生的一開始就存在的，而是經歷了一個漫長的演化過程。大爆炸之後的一段時間內，宇宙温度極高，温度高到原子無法形成，而沒有原子，也就不可能有恆星。直到大爆炸之後的大約377,000年，宇宙才膨脹並冷卻到足以形成原子的狀態，瀰漫着由中性氫和少量的氦（以及痕量鋰）組成的星雲物質，直到這些星雲物質不斷凝聚形成原始星核。此後，宇宙再電離時代期間，最早的恆星開始漸漸形成。

為了找到來自中性氫難以捉摸的信號，研究人員對位於西澳大利亞偏遠地區的MWA進行了重新配置。在2013年剛開始運行時，MWA只有128塊由2048個無線電天線排列組成的“瓦”，而現在為了尋找中性氫信號，“瓦”的數量增加了整整一倍，達到256塊，整個陣列被重新排列。所有這些接收器蒐集到的數據都被饋送到名為“Correlator”的超級計算機中。

由256個接收器組成的MWA射電望遠鏡。

Credit: MWA Collaboration/Curtin University.

即將在《天體物理學》上發表的一篇新論文展示了對新配置陣列的數據的首次分析結果。該論文的第一作者是布朗大學的博士生Wenyang Li，標題為“ First Season MWA Phase II EoR Power Spectrum Results at Redshift 7”。

為了瞭解來自中性氫的信號強度，研究人員為該信號設置了最低限度，這是搜索中性氫微弱信號的關鍵。

 “我們可以自信地説，如果中性氫信號強於我們設定的最低限度，那麼望遠鏡將一定能夠探測到它。” 布朗大學物理學助理教授兼論文的通訊作者Jonathan Pober説道。“這些發現可以幫助我們進一步縮小從宇宙黑暗時代結束到初代恆星產生的時間範圍。”

儘管我們看似為宇宙早期事件劃分了詳細的時間軸，但事實上我們對初期宇宙的理解仍有很大的知識空缺。我們知道，在黑暗時代之後，再電離時代開始了。原子的形成促成了宇宙中第一批天體的出現，例如恆星、矮星系和類星體。早期，這些天體釋放的任何光線都幾乎立即被周圍的密集中性氫介質吸收，但是莫名其妙地，星系際介質從寒冷和中性狀態變成温暖和電離狀態，之後中性氫便從星際空間中消失了。（http://baijiahao.baidu.com/s?id=1578937849151379818&wfr=spider&for=pc

第4-5段）

宇宙歷史圖解 

Credit:  Djorgovski et al, (Caltech)

科學家們想知道隨着黑暗時代的到來，中性氫是如何變化，並進入了再電離時代。第一代恆星為我們今天看到的宇宙結構奠定了基礎，但若想要真正理解它們，科學家還要找到從早期中性氫發出的信號。

但想要找到這些微弱的信號並不容易，只有極其靈敏的探測器才能發現它們。儘管中性氫最初發出的輻射波長為21

cm，但由於宇宙的膨脹，信號現在已被拉伸到大約2米。由於長達2米的信號很容易在許多其他類似自然和人為信號中丟失，所以天文學家選擇將MWA建立在澳大利亞偏遠地區，這樣可以使中性氫信號儘可能與無線電噪聲隔離。

“所有其他來源的信號強度都比我們試圖探測的中性氫信號強許多數量級。” Pober説道， “即使是飛機反射的FM無線電信號從望遠鏡上方經過，也足以干擾數據。”

這也是Correlator超級計算機處理能力的用武之地。Correlator不僅能夠篩棄污染信號，也兼具考慮MWA性質的能力。

從大爆炸到現在的宇宙演變圖，其中包括兩個再電離時代。

Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

“當觀察不同頻率或波長的無線電時，我們需要對望遠鏡進行相應調整。” Pober説道，“校正望遠鏡對於識別天體物理污染物和目標信號至關重要。”

MWA陣列的重新配置、數據分析技術、Correlator超級計算機以及研究人員的辛勤工作，種種努力使得論文得出了中性氫信號的新上限值。這是與MWA合作的科學家們第二次發佈的更精確的限值。隨着研究的不斷深入，科學家們希望最終能夠找到難以捉摸的中性氫信號。

『天文時刻』 牧夫出品

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