乌拉斯台观测站

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21CMA科学背景

 

追溯宇宙演化的长河,随着137亿年前大爆炸的余晖逐渐散去,宇宙曾经经历过一段漫长的黑暗时期。忽然有一天,在宇宙的深处,诞生了第一代发光天体,这些天体的光芒逐步照亮了整个宇宙,从此给我们的宇宙带来了蓬勃的生机。能否让人们亲眼目睹宇宙从黑暗走向光明的整个过程?能否让人们看到宇宙中诞生的第一缕曙光?今天,天文学家们正在努力实现人类的这一梦想。
人们今天所能观测到的最遥远宇宙“边界”是大爆炸遗留下的余晖。当这些余晖冷却下来后,宇宙中主要的物质成份是暗物质、以及中性的氢和氦。虽然此时恒星尚未形成,但处于基态的中性氢因其自身电子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,对应的光子频率为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厘米波段是可观测的。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背景辐射的余晖中,除非存在一种机能够制破坏中性氢21厘米辐射和宇宙大爆炸背景辐射之间的平衡 ─ 其中一种机制就来自宇宙中第一代发光天体的诞生!

当第一批恒星发出的光芒照亮了宇宙,周围的中性氢就会被电离,从而破坏中性氢21厘米辐射与宇宙背景辐射之间的平衡,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以及第一代恒星诞生的全部历史。

由于宇宙的膨胀,在宇宙黑暗时代发出的21厘米辐射的波长已经被拉伸到了米波波段,而这正是电视和调频广播的波段,所以,强大的人为干扰使得人们难以在地球上找寻到一片电波环境宁静的净土。同时,来自遥远宇宙的中性氢辐射亮温度仅相当于大约10mK的光源,这更给寻找宇宙的第一缕曙光的工作带来了相当大的挑战。

为了率先探测到宇宙的第一缕曙光,过去十年间,国际上诸多以小天线集成而起的庞大射电阵列相继诞生,代表设备包括21CMA、LOFAR、MWA、PAPER以及正在建设的HERA和下一代大型低频射电阵SKA-low等。未来五年,人们很可能拨开迷雾看到宇宙的第一缕曙光,把宇宙学研究推向另一个黄金时代。自2005年起,中国的天文学家深入中国西部,在新疆天山深处海拔2650米的高原上架起了10287面天线,组成50000平方米的巨大阵列开启了“宇宙第一缕曙光探测”这一庞大的科学实验。

 

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