來自第一批星系的信號揭示早期宇宙的關(guān)鍵信息 _星系

來自第一批星系的信號揭示早期宇宙的關(guān)鍵信息
據(jù)cnBeta：研究人員已經(jīng)能夠在對宇宙黎明的首批天體物理學(xué)研究中對第一批存在的星系做出一些關(guān)鍵的確定，"宇宙黎明"是指早期宇宙中第一批恒星和星系形成的時(shí)期。利用來自印度SARAS3射電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù) ，劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)能夠觀察到非常早期的宇宙，即大爆炸后僅僅2億年，并對第一批恒星和星系的質(zhì)量和能量輸出進(jìn)行了限制。
與此相反的是，研究人員通過沒有發(fā)現(xiàn)他們一直在尋找的信號，即所謂的21厘米氫線，能夠?qū)ψ钤绲男窍颠M(jìn)行這些限制。
這種未被發(fā)現(xiàn)的情況使研究人員能夠?qū)τ钪娴睦杳髯龀銎渌袛啵瑢ψ钤绲男窍颠M(jìn)行限制，使他們能夠排除一些情況，包括星系是宇宙氣體的低效加熱器和無線電發(fā)射的有效生產(chǎn)者。
雖然我們還不能直接觀察到這些早期星系，但《自然-天文學(xué)》雜志上報(bào)道的這些結(jié)果代表了理解我們的宇宙是如何從大部分虛無過渡到充滿恒星的一個(gè)重要步驟。
了解早期宇宙，即第一批恒星和星系形成的時(shí)間是新的觀測站的主要目標(biāo)之一。使用SARAS3數(shù)據(jù)獲得的結(jié)果是一項(xiàng)概念驗(yàn)證研究，為了解宇宙發(fā)展的這一時(shí)期鋪平了道路。
SKA項(xiàng)目--涉及兩臺將在本世紀(jì)末完成的下一代望遠(yuǎn)鏡--將有可能制作出早期宇宙的圖像，但是對于目前的望遠(yuǎn)鏡來說，挑戰(zhàn)在于探測厚厚的氫云重新輻射出來的第一批恒星的宇宙學(xué)信號。
這個(gè)信號被稱為21厘米線--由早期宇宙中的氫原子產(chǎn)生的無線電信號。與最近發(fā)射的JWST（韋伯望遠(yuǎn)鏡）不同， JWST將能夠直接對早期宇宙中的單個(gè)星系進(jìn)行成像，而用射電望遠(yuǎn)鏡，如劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的REACH（分析宇宙氫的無線電實(shí)驗(yàn)）對21厘米線進(jìn)行的研究，能夠告訴我們關(guān)于甚至更早的星系的整個(gè)群體。預(yù)計(jì)在2023年初，REACH會(huì)有第一個(gè)結(jié)果。
為了探測21厘米線，天文學(xué)家們尋找早期宇宙中氫原子產(chǎn)生的無線電信號，該信號受到第一批恒星的光和氫霧背后的輻射的影響。今年早些時(shí)候，同樣的研究人員開發(fā)了一種方法，他們說這將使他們能夠看穿早期宇宙的霧氣，并探測到來自第一批恒星的光，這些技術(shù)中的一些已經(jīng)在目前的研究中得到了實(shí)踐。
2018年，另一個(gè)操作EDGES實(shí)驗(yàn)的研究小組發(fā)表了一項(xiàng)結(jié)果，暗示可能探測到這種最早的光。與早期宇宙最簡單的天體物理學(xué)圖景中的預(yù)期相比，報(bào)告的信號異常強(qiáng)烈。最近，SARAS3的數(shù)據(jù)對這一探測提出了異議：EDGES的結(jié)果仍在等待獨(dú)立觀測的確認(rèn) 。
在對SARAS3數(shù)據(jù)的重新分析中，劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)測試了各種有可能解釋EDGES結(jié)果的天體物理情景，但他們沒有發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的信號。相反，該小組能夠?qū)Φ谝慌阈呛托窍档膶傩宰龀鲆恍┫拗?。SARAS3的分析結(jié)果是第一次對平均21厘米線的無線電觀測能夠以限制其主要物理屬性的形式提供對第一批星系屬性的洞察。
與印度、澳大利亞和以色列的合作者合作，劍橋大學(xué)的團(tuán)隊(duì)使用來自SARAS3實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來尋找來自宇宙黎明的信號，當(dāng)時(shí)第一批星系形成。利用統(tǒng)計(jì)建模技術(shù)，研究人員無法在SARAS3數(shù)據(jù)中找到一個(gè)信號。劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的博士生、該論文的第一作者哈里-貝文斯說："我們正在尋找一個(gè)具有一定振幅的信號。但是通過沒有找到這個(gè)信號，我們可以對其深度進(jìn)行限制。這反過來又開始告訴我們第一批星系的亮度如何。"
"我們的分析表明，氫信號可以讓我們了解第一批恒星和星系的數(shù)量，"來自劍橋大學(xué)天文學(xué)研究所的共同領(lǐng)銜作者阿納斯塔西婭-菲亞爾科夫博士說。"我們的分析對第一批光源的一些關(guān)鍵屬性進(jìn)行了限制，包括最早的星系的質(zhì)量以及這些星系能夠形成恒星的效率。我們還解決了這些光源如何有效地發(fā)射X射線、無線電和紫外線輻射的問題。"
同樣來自卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的Eloy de Lera Acedo博士說："這是我們的一個(gè)早期步驟，我們希望這將是一個(gè)發(fā)現(xiàn)宇宙如何從黑暗和空虛過渡到我們今天從地球上可以看到的恒星、星系和其他天體的復(fù)雜領(lǐng)域的十年， "他共同領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究。
de Lera Acedo說："我們的數(shù)據(jù)還揭示了一些以前被暗示過的東西，那就是最早的恒星和星系可能對背景輻射有可測量的貢獻(xiàn)，這些背景輻射是由于大爆炸而出現(xiàn)的，并且從那時(shí)起就一直向我們傳播。能夠在如此遙遠(yuǎn)的年代--大爆炸后僅僅2億年--查看并了解早期宇宙的情況，這真是令人驚奇。"