7月7日，《自然-天文》（Nature Astronomy）在線發表了中國科學院國家天文臺和東北大學合作完成的重要成果。這一理論研究提出，利用宇宙黎明時期21厘米森林信號的一維功率譜測量，未來的平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）將能夠同時揭秘宇宙第一代星系和暗物質的性質。
宇宙中第一代星系如何形成？它們如何照亮黑暗時代并迎來宇宙黎明？宇宙早期的星系際介質是如何被第一代星系電離并加熱？這些問題是天文學家致力于探索的重要科學難題。中性氫的21厘米譜線為宇宙黎明與第一代星系提供了獨特的探測手段。利用21厘米譜線探測宇宙黎明與再電離也是平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）最重要的科學目標之一。
中性氫的21厘米信號有多種觀測模式。常見的觀測模式是以宇宙微波背景輻射為背景源的21厘米信號測量。同時，宇宙早期各種結構及其周圍的氫原子氣體會在高紅移射電點源的光譜上產生密集的21厘米吸收線。這些吸收線叢被形象地稱為21厘米森林（圖 1）。由于信號微弱，且依賴于宇宙黎明時期的射電亮源的獲取，多年來21厘米森林探測面臨挑戰。21厘米森林信號同時受到第一代星系加熱效應和暗物質性質的影響，觀測上較難區分這兩種效應，使得21厘米森林探測在提出以來難以實際用于限制第一代星系的熱效應或暗物質的性質。
該工作探究了過去鮮有論及的21厘米森林探針，并提出了一種原創性的統計測量方案，使之不僅能夠限制宇宙第一代星系的性質，且可同時測量暗物質粒子的質量。
近年來，已有一批高紅移射電噪的類星體被發現。同時，SKA望遠鏡也已進入工程建設階段，開展21厘米森林觀測迫在眉睫。“我們意識到由溫暗物質效應和加熱效應引起的信號變化，在光譜上的尺度分布特征不同，因此通過一維功率譜分析，將可以從統計上提取關鍵特征以區分這兩種效應。”國家天文臺副研究員徐怡冬介紹說，“而且，如果對同一段光譜的兩次測量做互相關，將能夠顯著壓低噪聲，從而提高信噪比。這對21厘米森林這種弱信號的提取是非常關鍵的。”
模擬結果顯示，一維交叉功率譜測量顯著提高了觀測的靈敏度，同時，一維功率譜的幅度和形狀特征使得信號的尺度依賴性被顯現出來（圖 2）。這使得21厘米森林變得切實可行，且能夠同時測量暗物質粒子質量和宇宙黎明時期的熱歷史。因此，21厘米森林的一維功率譜確實可以成為“一箭雙雕”的宇宙學探針，為揭開暗物質和第一代星系之謎提供了新途徑。
徐怡冬和東北大學教授張鑫為《自然-天文》專門撰寫了介紹性短文。加拿大圓周理論物理研究所教授Katherine Mack在《自然-天文》上評論道：“這項研究提出了一種有趣的方法，利用21厘米森林功率譜同時限制兩種現象——宇宙X射線對星系際介質的加熱以及溫暗物質的可能效應。雖然以前的研究已經檢查了21厘米森林作為星系際介質探針的可能性，但將溫暗物質效應作為一個獨立信號包含進來則為未來的觀測提供了一個新的科學目標。”《自然-天文》編輯團隊針對這一研究發表了評論：“我們宇宙的最遠處總是極為神秘，由于被塵埃、吸收光的原子和中間介質中的氣體阻擋而很難直接觀測。這項研究將吸收轉化為一種優勢，利用它打破了其他方法所遭遇的不同效應的簡并，并可用于闡明早期宇宙的結構形成。”
這一突破性方法的發展對于解開暗物質和宇宙早期天體形成的奧秘具有重要意義，將進一步推動我們對暗物質的認知，揭示宇宙結構形成及演化的過程。通過更深入的觀測和分析，我們有望在不久的將來獲得關于暗物質性質和早期星系形成的更多見解，進一步拓展我們對宇宙的認知。研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支持。
圖1. 21厘米森林信號示意圖（左圖）和模擬得到的不同加熱率（fX）下的宇宙黎明21厘米森林信號。
圖2. 模擬得到的21厘米森林一維功率譜。左圖為冷暗物質模型下，宇宙黎明不同加熱率的21厘米森林功率譜信號；右圖為未加熱的星系際介質中，不同暗物質粒子質量下的21厘米森林功率譜。點線和虛線分別為一期和二期SKA低頻陣列的熱噪聲水平，誤差棒為SKA二期低頻陣列的測量誤差。功率譜的形狀和幅度將能用于區分溫暗物質和加熱效應。
我國天文學家提出同時揭秘宇宙第一代星系和暗物質的新方法