中國天文學家提出新方法：“一箭雙雕”揭秘宇宙第一代星系和暗物質

中新網北京7月7日電 (記者 孫自法)宇宙中第一代星系是如何形成的？暗物質的性質是什么？這兩大謎團能否同時通過天文觀測進行研究揭秘？

中國科學院國家天文臺7日向媒體發布消息說，中國天文學家最新研究提出“一箭雙雕”的新方法——利用宇宙黎明時期被形象稱為“21厘米森林”信號的一維功率譜測量，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。

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這項天文領域的重大理論研究突破由中國科學院國家天文臺、東北大學合作完成，成果論文于北京時間7月6日夜間在國際專業學術期刊《自然-天文》(Nature Astronomy)在線發表。中國科學院國家天文臺徐怡冬副研究員、陳學雷研究員和東北大學張鑫教授為論文共同通訊作者。

什么是“21厘米森林”信號？

研究團隊介紹說，中性氫的21厘米譜線為宇宙黎明與第一代星系提供了獨一無二的探測手段，利用21厘米譜線探測宇宙黎明與再電離也是SKA最重要的科學目標之一。

中性氫的21厘米信號有多種觀測模式，常見的觀測模式是以宇宙微波背景輻射為背景源的21厘米信號測量。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，這些吸收線叢被形象稱為“21厘米森林”，由于其信號微弱，且依賴于宇宙黎明時期的射電亮源的獲取，多年來“21厘米森林”探測面臨極大挑戰。

另一方面，“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，觀測上很難區分這兩種效應，使得“21厘米森林”信號探測在提出以來的20多年中，難以實際用于限制第一代星系的熱效應或暗物質的性質。

新方法如何實現“一箭雙雕”？

研究團隊表示，他們此次對過去鮮有論及的“21厘米森林”探針開展深入研究，并提出一種原創性的統計測量方案，使之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。

徐怡冬稱，近年來，已有一批高紅移射電噪的類星體被發現，而且SKA也已進入工程建設階段，開展“21厘米森林”觀測已迫在眉睫。“我們意識到由溫暗物質效應和加熱效應引起的信號變化，在光譜上的尺度分布特征不同，因此通過一維功率譜分析，將可以從統計上提取關鍵特征以區分這兩種效應。”她說，“而且，如果對同一段光譜的兩次測量做互相關，將能夠顯著壓低噪聲，從而提高信噪比。這對‘21厘米森林’這種弱信號的提取是非常關鍵的”。

模擬研究結果顯示，一維交叉功率譜測量顯著提高了觀測的靈敏度，同時，一維功率譜的幅度和形狀特征使得信號的尺度依賴性被顯現出來，這使得“21厘米森林”觀測變得切實可行，且能夠同時測量暗物質粒子質量和宇宙黎明時期的熱歷史。

因此，“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，為揭開暗物質和第一代星系之謎提供一種極有前景的新途徑。

最新研究成果有何意義與影響？

國際著名天文學家、加拿大圓周理論物理研究所Katherine Mack教授在同期《自然·天文》撰文評論指出，中國天文學家這項研究提出了一種有趣的方法，利用“21厘米森林”功率譜同時限制兩種現象：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。“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》編輯團隊也發表評論說，“我們宇宙的最遠處總是極為神秘，由于被塵埃、吸收光的原子和中間介質中的氣體阻擋而很難直接觀測”。中國天文學家發表的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并，并可用于闡明早期宇宙的結構形成。

研究團隊總結認為，利用“21厘米森林”信號實現“一箭雙雕”天文觀測研究這一突破性方法的發展，對于解開暗物質和宇宙早期天體形成的奧秘具有重要意義，將進一步推動人們對暗物質的理解，揭示宇宙結構形成及演化的過程。后續通過更深入的觀測和分析，天文學家有望在不久的將來獲得關于暗物質性質和早期星系形成的更多見解，從而持續拓展對宇宙的認知。(完)

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