宇宙中第一代星係是如何形成的？暗物質的性質是什麼？這兩大謎團能否同時通過天文觀測進行研究揭秘？最近，我國天文學家提出，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鏡（SKA）將能夠同時揭秘宇宙第一代星系和暗物質的性質。相關研究發表在國際學術期刊《自然·天文》上。

探測21厘米森林一直面臨極大挑戰

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能級超精細結構之間的躍遷，會產生電磁波波長為21厘米的線輻射，也就是中性氫21厘米線。

中性氫21厘米線為天文學家探索宇宙提供了巨大的機遇。“中性氫21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鏡最重要的科學目標之一。”論文共同通訊作者、中國科學院國家天文台研究員陳學雷說。

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，被天文學家形像地稱為21厘米森林。”陳學雷說，多年來，探測21厘米森林一直面臨極大挑戰。

“主要原因有兩方面：一是21厘米森林信號微弱，並且探測它所依賴的宇宙黎明時期的射電亮源難以獲取；二是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，因此在觀測上我們很難區分這兩種效應。這就使得21厘米森林探測難以實際用於限制第一代星系的加熱效應或暗物質的性質。”論文共同通訊作者、中國科學院國家天文台副研究員徐怡冬解釋。

近年來，已經有一批高紅移射電噪的類星體被發現，而且平方公里陣列射電望遠鏡也進入了工程建設階段，開展21厘米森林探測已迫在眉睫。

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

新方法有望拓展人類對宇宙的認知

“我們意識到由第一代星系的加熱效應和溫暗物質引起的信號變化，在光譜上的尺度分佈特徵存在明顯不同。通過一維功率譜分析，我們未來可以從統計上區分這二者。”徐怡冬介紹。

“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，它為揭開暗物質和第一代星系之謎提供了一種極有前景的新途徑。”論文共同通訊作者、東北大學教授張鑫強調。

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射線對星系際介質的加熱，以及溫暗物質的可能效應這兩種現象。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》的編輯團隊也針對這項研究發表了評論：“我們宇宙的最遠處總是極為神秘，由於被塵埃、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併，並可用於闡明早期宇宙的結構形成。”

研究人員表示，這一突破性方法的發展對於解開暗物質和宇宙早期天體形成的奧秘具有重要意義，並將進一步推動我們對暗物質的理解，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於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。