中國科學院國家天文臺 李碧瑩 編譯自 Sarah Wild. Physics World，2026，(1)：28

本文選自《物理》2026年第3期

正如曼徹斯特大學Phil Bull所說：這是天文學中為數(shù)不多的重大前沿領(lǐng)域之一，而且事實證明，這是一個非常關(guān)鍵的宇宙歷史時期，但目前我們實際上并不了解它。

在早期宇宙中有一個至關(guān)重要但令人困惑的時期——從大爆炸后的38萬年到10億年——宇宙的結(jié)構(gòu)從簡單變得復雜。為了揭開這層神秘的面紗，世界各地的實驗，從澳大利亞到北極，都在競相尋找來自最早的氫原子的特定信號。這個信號可以證實或推翻當前關(guān)于宇宙演化及其物理規(guī)律的理論。

氫是宇宙中最豐富的元素。當處于基態(tài)的中性氫原子改變狀態(tài)時，它們可以發(fā)射或吸收光子。這種光譜躍遷可以產(chǎn)生波長為21cm的發(fā)射或吸收無線電信號。

盡管參與搜尋的團隊逐年增多，但至今無人真正探測到這個信號。這場尋找宇宙第一縷曙光的競賽將花落誰家？搜尋又是如何進行的呢？

大爆炸后38萬年到10億年是宇宙演化的關(guān)鍵時期，宇宙結(jié)構(gòu)從簡單走向復雜，尤其是大爆炸后略小于2.8億年的時段，被劍橋大學Anastasia Fialkov稱為“最后幾個空白區(qū)域之一”。這一空白區(qū)銜接了早期簡單宇宙與如今的復雜宇宙，涵蓋宇宙黑暗時代結(jié)束、宇宙黎明和再電離時期。黑暗時代，宇宙中僅有中性氫和氦，無恒星發(fā)光；引力放大密度擾動后，原始氣體聚集形成第一批恒星和星系，即宇宙黎明；隨后，首批天體的輻射加熱并電離氫原子，宇宙進入再電離時期。

天文學家正在尋找的21 cm信號源于氫原子的光譜躍遷，在黑暗時代，主要由氫的碰撞所激發(fā)；而到了宇宙黎明時期，則由第一批恒星發(fā)出的第一批光子所激發(fā)。然而，21 cm信號強度僅能依據(jù)宇宙微波背景輻射來測量，后者是穩(wěn)定的21 cm光子背景源。

中性氫溫度低于宇宙微波背景時，碰撞少，原子吸收21 cm光子多于發(fā)射，信號表現(xiàn)為吸收；溫度高于背景時，原子發(fā)射光子多于吸收，信號表現(xiàn)為發(fā)射。吸收與發(fā)射速率由氣體密度、溫度以及第一批宇宙光源的輻射時間和強度決定。所以，21 cm信號記錄了早期宇宙的演化信息。

科學家通過測量中性氫相對宇宙微波背景從吸收轉(zhuǎn)為發(fā)射的過程，來尋找早期宇宙印記。21 cm信號的頻率約為1420 MHz。然而，根據(jù)理論推測，這一古老信號在穿越宇宙“空白區(qū)”的旅程中，其發(fā)射與吸收強度會因宇宙不同演化階段的影響而產(chǎn)生波動。宇宙膨脹也讓該信號在傳向地球的過程中波長變長，它如今的頻率在1—200 MHz之間——頻率越低，對應年代越古老——波長也從厘米級變?yōu)槊准墶?/p>

重要的是，早期宇宙的21厘米信號既可驗證也可顛覆當前宇宙學主流冷暗物質(zhì)模型。該信號極微弱，僅為宇宙微波背景黑體溫度的0.1 K，無單一發(fā)射源，遍布宇宙。一般而言，現(xiàn)有理論模型已對這一信號可能的特征范圍給出了十分明確的預測區(qū)間，如圖1所示。

圖1 跨越宇宙時空的21 cm信號 (a)天空平均(全局)信號隨時間(橫軸)和空間(縱軸)變化的模擬圖；(b)典型的全球21 cm譜線模型，標注了主要的宇宙演化事件。每項搜尋全球21 cm信號的實驗都專注于特定的頻率波段。例如，宇宙氫分析射電實驗(REACH)的關(guān)注范圍是50—170 MHz(藍色區(qū)域)

另外，宇宙中充滿了污染，而科學家們要在亮度高出一百萬倍的環(huán)境里，尋找這僅有0.1 K的微弱信號，使得這項測量對儀器校準、理論認知和模型精準度都提出來了極高要求。

2018年，EDGES實驗聲稱探測到21 cm總強度信號。該儀器為乒乓球桌狀偶極天線，架設(shè)在西澳大利亞的射頻靜默區(qū)，然而，其觀測結(jié)果在隨后7年里無人能復現(xiàn)。更令人意外的是，EDGES在78 MHz處觀測到的信號凹陷，幅度是理論預測的兩倍以上，且凹陷更寬更深，劍橋大學Lera Acedo認為，若該信號為真，需要全新的物理學理論來解釋，然而，首要前提是確認該信號的真實性。

EDGES的發(fā)現(xiàn)掀起了宇宙學界的研究熱潮，許多團隊紛紛展開驗證或全新探測。劍橋大學與南非斯泰倫博斯大學合作的REACH實驗，聚焦50—170 MHz頻段，在南非射電寧靜區(qū)架設(shè)兩類天線，置于巨型金屬網(wǎng)狀接地板上以減少地面干擾，其首席研究員Lera Acedo指出，信號搜尋需依托精準的宇宙學理論和工程技術(shù)，地面反射、校準誤差、土壤雜散信號是主要障礙，需通過降低系統(tǒng)噪聲、優(yōu)化數(shù)據(jù)分析來剔除干擾。

另外，印度拉曼研究所的SARAS實驗經(jīng)多次改進，從地面天線改為水面漂浮的金屬錐形天線，觀測頻段40—200 MHz。在EDGES公布結(jié)果后，SARAS將研究重點轉(zhuǎn)向驗證該結(jié)果。2022年其團隊利用漂浮輻射計數(shù)據(jù)，最終得出不支持EDGES結(jié)論的結(jié)果。研究科學家Saurabh Singh表示，未探測到信號的結(jié)果同樣重要，能排除大量理論模型，修正對早期恒星和星系特性的認知。

美國加州大學伯克利分校的科研人員也展開了多項探索。Raul Monsalve Jara自2012年參與EDGES項目，同時擔任多國合作的MIST實驗聯(lián)合負責人，該實驗觀測頻段25—105 MHz，采用簡化儀器、移除金屬接地板的方案，將小型便攜設(shè)備送至加州、內(nèi)華達沙漠及北極等偏遠地區(qū)觀測，并靈活更換觀測點以減少環(huán)境干擾，團隊還計劃在智利開展更多觀測。同校的Aaron Parsons則提出徹底消除地面干擾的思路，其設(shè)計的EIGSEP系統(tǒng)將天線懸掛在猶他州峽谷上方，四周留百米空曠空間，觀測頻段50—250 MHz，天線可旋轉(zhuǎn)擺動以實現(xiàn)精準校準，并與地面天線協(xié)同觀測，該項目已于去年投入使用。

未來一年，更多探測實驗將投入運行。曼徹斯特大學的RHINO項目，利用摩天大樓上的金屬網(wǎng)制成喇叭形接收器(具有利于校準、測量精準的優(yōu)勢)，初期設(shè)于卓瑞爾河岸天文臺，后續(xù)將前往偏遠地區(qū)探測。曾創(chuàng)立SARAS實驗的Ravi Subrahmanyan，現(xiàn)正設(shè)計全新輻射計GINAN，觀測頻段40—160 MHz，搭載自校準天線，能更真實地測量天空信號。

與此同時，EDGES團隊也在持續(xù)升級，由麻省理工學院海斯塔克天文臺主導的Cappallo項目將其升級至第三代，設(shè)備仍為桌面大小，但改為盒式封閉結(jié)構(gòu)，電子元件內(nèi)置，配備更大金屬接地板，研究團隊已在加拿大群島和阿拉斯加阿留申群島開展觀測(圖2)。Cappallo表示，2018年的EDGES結(jié)果需經(jīng)獨立驗證才能被學界認可，團隊將在更多地點和環(huán)境下觀測以提升可靠性，目前該團隊雖能通過相同流程復現(xiàn)結(jié)果，但尚無其他團隊能重現(xiàn)這一信號。一些天文學家支持新實驗的開展，Aaron Parsons認為，多個團隊用不同方法研究，才能形成共識，避免輕信單一測量結(jié)果。

圖2 2024年，一套EDGES系統(tǒng)被部署至射電靜默區(qū)阿留申群島進行觀測

由于地球大氣層的電離層會扭曲干擾信號，且地面存在大量無線電噪聲，部分天文學家將探測目標轉(zhuǎn)向月球，尤其是月球背面，能完全避開地球的無線電干擾。Aaron Parsons參與了NASA的LuSEE-Night項目，該項目計劃明年在月球著陸低頻探測設(shè)備。2025年7月，Lera Acedo提出Cosmocube方案，將微型輻射計送入月球軌道，繞月搜尋21 cm信號。該項目目前仍在籌備中，至少十年內(nèi)不會投入運行，但被認為是探測研究的重要一步。

當下，各團隊仍在競相探測這一難以捕捉的21 cm信號，隨著儀器靈敏度提升、理論模型完善，未知因素正逐漸減少。Raul Monsalve Jara堅信，只要實驗方法正確，人們終將找到這一信號。這場競賽的核心問題，便是眾多團隊中誰的實驗方案才是真正正確的那一個？

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