大約120億年前，隨著第一批恒星和星系的出現(xiàn)，宇宙從一個(gè)巨大的宇宙黑暗時(shí)代出現(xiàn)。通過對(duì)Murchison寬場陣列(MWA)射電望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行的新分析，科學(xué)家現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更能夠檢測到宇宙歷史中這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)的超微弱特征。

在對(duì)預(yù)印本網(wǎng)站紙的arXiv和即將在該公布天體物理學(xué)雜志，研究者呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的第一分析從MWA的新配置專門設(shè)計(jì)用來尋找中性氫的信號(hào)，該氣體期間占主導(dǎo)地位的宇宙宇宙的黑暗時(shí)代。該分析為中性氫信號(hào)的強(qiáng)度設(shè)置了新的極限(迄今為止的最低極限)。

布朗大學(xué)物理學(xué)助理教授，《自然》雜志的通訊作者喬納森·波伯說：“我們可以自信地說，如果中性氫信號(hào)強(qiáng)于我們?cè)谡撐闹性O(shè)定的極限，那么望遠(yuǎn)鏡將能夠探測到它。”新文章。“這些發(fā)現(xiàn)可以幫助我們進(jìn)一步限制宇宙暗齡結(jié)束和第一批恒星出現(xiàn)的時(shí)間。”

這項(xiàng)研究由李文陽領(lǐng)導(dǎo)，他擔(dān)任博士學(xué)位。布朗的學(xué)生。Li和Pober與MWA合作的國際研究人員小組合作。

盡管它在宇宙歷史中很重要，但對(duì)于第一顆恒星形成的時(shí)期(即所謂的電離時(shí)代(EoR))知之甚少。大爆炸之后形成的第一個(gè)原子是帶正電的氫離子，這些原子的電子被嬰兒宇宙的能量剝離。隨著宇宙的冷卻和膨脹，氫原子與電子重新結(jié)合形成中性氫。直到大約120億年前，當(dāng)原子開始聚集在一起形成恒星和星系時(shí)，這幾乎就是宇宙中的全部。這些物體發(fā)出的光使中性氫重新電離，使其從星際空間中大量消失。

像MWA那樣發(fā)生的項(xiàng)目的目標(biāo)是找到來自黑暗時(shí)代的中性氫信號(hào)，并測量其隨著EoR的展開而發(fā)生的變化。這樣做可以揭示有關(guān)第一批恒星的新的重要信息，即我們今天所看到的宇宙的組成部分。但是，要想一窺這個(gè)擁有120億年歷史的信號(hào)，是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，需要靈敏的儀器。

MWA于2013年開始運(yùn)營時(shí)，是在整個(gè)西澳大利亞偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村中排列的2048條無線電天線陣列。天線被捆扎成128個(gè)“平鋪”，其信號(hào)由稱為“相關(guān)器”的超級(jí)計(jì)算機(jī)合并。2016年，瓷磚的數(shù)量增加了一倍，達(dá)到256個(gè)，并且改變了它們?cè)谡麄€(gè)景觀中的配置，以提高其對(duì)中性氫信號(hào)的敏感性。這份新論文是對(duì)擴(kuò)展數(shù)組中的數(shù)據(jù)的首次分析。

中性氫發(fā)出的輻射波長為21厘米。在過去的120億年中，隨著宇宙的膨脹，來自EoR的信號(hào)現(xiàn)在已延伸至約2米，這正是MWA天文學(xué)家所追求的。問題在于還有許多其他的光源以相同的波長發(fā)出信號(hào)，例如數(shù)字電視等人造光源，以及銀河系和數(shù)百萬其他星系中的天然光源。

鮑伯說：“所有其他來源的信號(hào)強(qiáng)度都比我們?cè)噲D檢測的信號(hào)強(qiáng)許多數(shù)量級(jí)。”“即使飛機(jī)上反射的調(diào)頻無線電信號(hào)恰好從望遠(yuǎn)鏡上方通過，也足以污染數(shù)據(jù)。”

為了了解信號(hào)，研究人員使用了多種處理技術(shù)來清除那些污染物。同時(shí)，它們說明了望遠(yuǎn)鏡本身獨(dú)特的頻率響應(yīng)。

鮑伯說：“如果我們觀察不同的無線電頻率或波長，望遠(yuǎn)鏡的行為會(huì)有所不同。”“對(duì)望遠(yuǎn)鏡的響應(yīng)進(jìn)行校正對(duì)于隨后分離天體污染物和目標(biāo)信號(hào)至關(guān)重要。”

這些數(shù)據(jù)分析技術(shù)與望遠(yuǎn)鏡本身的擴(kuò)展能力相結(jié)合，導(dǎo)致EoR信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到新的上限。這是MWA連續(xù)第二次發(fā)布最新的最佳限值分析，這使該實(shí)驗(yàn)有望有一天能夠檢測到難以捉摸的EoR信號(hào)。

Pober說：“該分析表明，第二階段升級(jí)具有很多預(yù)期的效果，并且新的分析技術(shù)將改善未來的分析。”“ MWA現(xiàn)在已經(jīng)背對(duì)背發(fā)布了信號(hào)的兩個(gè)最佳限制，這一事實(shí)使這一實(shí)驗(yàn)及其方法具有很大的前景。”