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宇宙中第一代星系是如何形成的？暗物質(zhì)的性質(zhì)是什么？這兩大謎團(tuán)能否同時通過天文觀測進(jìn)行研究揭秘？

最近，我國天文學(xué)家提出，通過測量21厘米森林的一維功率譜，未來的平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）將能夠同時揭秘宇宙第一代星系和暗物質(zhì)的性質(zhì)。相關(guān)研究發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·天文》上。

探測21厘米森林一直面臨極大挑戰(zhàn)

宇宙中存在大量的中性氫氣體。這些氣體中的氫原子在基態(tài)能級超精細(xì)結(jié)構(gòu)之間的躍遷，會產(chǎn)生電磁波波長為21厘米的線輻射，也就是中性氫21厘米線。

中性氫21厘米線為天文學(xué)家探索宇宙提供了巨大的機遇?！爸行詺?1厘米線為探測宇宙黎明與第一代星系提供了獨一無二的手段。同時，利用中性氫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(yuǎn)鏡最重要的科學(xué)目標(biāo)之一?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⒅袊茖W(xué)院國家天文臺研究員陳學(xué)雷說。

同時，宇宙早期各種結(jié)構(gòu)及其周圍的氫原子氣體會在高紅移射電點源的光譜上產(chǎn)生密集的21厘米吸收線?！斑@些吸收線叢，被天文學(xué)家形象地稱為21厘米森林?！标悓W(xué)雷說，多年來，探測21厘米森林一直面臨極大挑戰(zhàn)。

“主要原因有兩方面：一是21厘米森林信號微弱，并且探測它所依賴的宇宙黎明時期的射電亮源難以獲?。欢?1厘米森林信號同時受到第一代星系加熱效應(yīng)和暗物質(zhì)性質(zhì)的影響，因此在觀測上我們很難區(qū)分這兩種效應(yīng)。這就使得21厘米森林探測難以實際用于限制第一代星系的加熱效應(yīng)或暗物質(zhì)的性質(zhì)。”論文共同通訊作者、中國科學(xué)院國家天文臺副研究員徐怡冬解釋。

近年來，已經(jīng)有一批高紅移射電噪的類星體被發(fā)現(xiàn)，而且平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡也進(jìn)入了工程建設(shè)階段，開展21厘米森林探測已迫在眉睫。

在這項研究中，我國天文學(xué)家提出了一種原創(chuàng)性的統(tǒng)計測量方案，使得21厘米森林不僅能夠限制宇宙第一代星系的性質(zhì)，還可以同時測量暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量。

新方法有望拓展人類對宇宙的認(rèn)知

“我們意識到由第一代星系的加熱效應(yīng)和溫暗物質(zhì)引起的信號變化，在光譜上的尺度分布特征存在明顯不同。通過一維功率譜分析，我們未來可以從統(tǒng)計上區(qū)分這二者?！毙焘榻B。

“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(xué)探針，它為揭開暗物質(zhì)和第一代星系之謎提供了一種極有前景的新途徑?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺|北大學(xué)教授張鑫強調(diào)。

針對此研究，加拿大圓周理論物理研究所教授凱瑟琳·麥克評論道：“這項研究提出了一種有趣的方法，能夠利用21厘米森林功率譜同時限制宇宙X射線對星系際介質(zhì)的加熱，以及溫暗物質(zhì)的可能效應(yīng)這兩種現(xiàn)象。雖然以前的研究已經(jīng)檢查了21厘米森林作為星系際介質(zhì)探針的可能性，但將溫暗物質(zhì)效應(yīng)作為一個獨立信號包含進(jìn)來，則為未來的觀測提供了一個新的科學(xué)目標(biāo)。”

《自然·天文》的編輯團(tuán)隊也針對這項研究發(fā)表了評論：“我們宇宙的最遠(yuǎn)處總是極為神秘，由于被塵埃、吸收光的原子和中間介質(zhì)中的氣體阻擋而很難直接觀測。這項研究將吸收轉(zhuǎn)化為一種優(yōu)勢，利用它打破了其他方法所遭遇的不同效應(yīng)的簡并，并可用于闡明早期宇宙的結(jié)構(gòu)形成。”

研究人員表示，這一突破性方法的發(fā)展對于解開暗物質(zhì)和宇宙早期天體形成的奧秘具有重要意義，并將進(jìn)一步推動我們對暗物質(zhì)的理解，揭示宇宙結(jié)構(gòu)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(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)和早期星系形成的更多見解，進(jìn)一步拓展我們對宇宙的認(rèn)知。 （記者 陸成寬）

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