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宇宙如何从黑暗走向光明？暗物质是“冷”还是“温”？宇宙在最初的10亿年经历了什么？这对于理解宇宙的奥秘非常重要。然而，由于宇宙的最初演化阶段是一片黑暗的，要想探测到这个时期的情况无比困难，现有的光学和红外望远镜都无能为力。那用什么来进行探测呢？氢原子的21厘米谱线几乎是目前已知的唯一的直接探测手段。利用它，科学家可以探索宇宙最古老的样子，拓展人类对宇宙的认知。

最初10亿年，宇宙如何从黑暗走向光明

宇宙如何从黑暗走向光明？这对于深刻认识星系和宇宙结构的形成和演化具有重要意义。

宇宙在年龄为38万年的时候，进入了“黑暗时代”。宇宙中除了来自宇宙微波背景辐射（CMB）的光子之外，没有其他发光天体。有的只是一片几乎均匀的暗物质和原子气体，其中气体以氢原子为主，氢约占四分之三质量，氦约占四分之一。

“黑暗时代”持续了大约一亿年。在这寂寞的一亿年里，暗物质在引力的作用下开始形成暗晕团块，原子物质也落入暗晕的引力势阱中进一步结团，最终最早的一批星系在暗晕中心诞生。

“宇宙黎明”开始了，星系的光开始照亮宇宙。

随着星系以及星系中的恒星和黑洞形成，恒星的紫外光子溢出星系，逐步电离星系际介质中的氢原子，同时恒星和黑洞产生的X射线也开始对星系际介质进行加热。最终，在宇宙年龄接近10亿年的时候，宇宙星系际介质中的氢原子几乎被完全电离。这一氢原子被发光天体再次电离的过程称为“宇宙再电离”。

那用什么来探测宇宙最初的10亿年呢？由于宇宙的最初演化阶段是一片黑暗的，光学和红外望远镜无能为力，要想探测到这个时期无比困难。事实上，宇宙第一代发光天体重新照亮宇宙的过程从未被人类有效探测到过。

目前，要想探测宇宙被第一代星系照亮的过程，氢原子的21厘米谱线几乎是唯一的直接探测手段。利用这个工具，可以探索宇宙最古老的样子，揭秘宇宙如何从黑暗走向光明。

氢原子的21厘米谱线又是什么呢？

氢原子可以在射电波段吸收或辐射光子，对应光子的波长约为21厘米，因此该谱线通常被称为“21厘米谱线”。简单来讲，在“黑暗时代”和“宇宙黎明”，氢原子气体比宇宙微波背景更冷，它们会从微波背景中吸收21厘米光子；在“宇宙再电离”时期，气体被加热，氢原子会发射21厘米信号。因此，如果以CMB光子为背景光源，我们就可以对这些21厘米谱线的信号进行探测。这些21厘米谱线吸收和发射信号会帮助我们理解宇宙的早期演化历史。

早期宇宙中氢原子的21厘米辐射的波长会随着宇宙的膨胀被拉伸得更长。例如，“宇宙再电离”时期的21厘米信号的波长在今天已经被拉伸到1.5~2.3米；“黑暗时代”对应的21厘米信号波长已在6.5米以上。因此，我们需要用低频射电天线来接收这些信号。

在“宇宙再电离”之后的时代，星系际介质中几乎已没有中性氢了，但宇宙中仍然存在大量的中性氢原子，它们都藏身于星系之中。在现代宇宙中，星系中的中性氢仍在不断地辐射21厘米谱线信号。如果可以用射电望远镜探测这些信号，那么就可以用21厘米谱线信号追踪星系。从宇宙学的角度来看，就有了一个利用射电手段测量宇宙大尺度结构的方法。

中性氢原子的21厘米谱线为我们探索宇宙提供了巨大的机遇。首先，为我们打开了观测宇宙的新窗口，让我们能够利用氢原子的21厘米谱线作为信号在射电波段对宇宙演化进行探测。其次，由于其在静止系波长（或频率）是固定的，波长的拉长程度自动就给出了源的红移，因此利用这种谱线巡天可以有效对宇宙的演化进行断层扫描。再次，理论上可以利用21厘米谱线对CMB形成以后的整个宇宙演化历史进行探索。

也就是说，在早期宇宙探索中，以CMB光子为背景光源，可以做两种21厘米谱线信号的观测，一个是全天平均频谱测量，一个是断层扫描测量。

来源：视觉中国

这两种观测方式是最主流的21厘米谱线观测方式。当前的一些21厘米低频探测实验已经开始以这两种方式进行观测，而且得到了一些初步的观测数据。正在建设中的“平方公里阵列射电望远镜”（SKA）也准备以这样的方式开始对“宇宙黎明”和“宇宙再电离”进行探测。

（作者：徐怡冬 张鑫，分别系中国科学院国家天文台副研究员、东北大学教授）

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