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天文學家或成功測量「宇宙晨光」訊號

2018/3/2 — 10:27

宇宙誕生時間綫,圖片來源:national science foundation

宇宙誕生時間綫,圖片來源:national science foundation

宇宙初開只是一片混沌,只存有輻射和氣體。數百萬年後,星體漸漸形成,並釋出大量紫外線——宇宙首批恆星因而形成。

亞利桑那州立大學、麻省理工學院和科羅拉多大學波德分校研究隊伍於《自然》發表報告,指他們或發現了宇宙首批恆星釋出的光線訊號。若結果屬實,此發現將有助了解首個恆星、黑洞、星系及所有事物形成的過程。

但要找出史前恆星的光茫並不容易,要以較「間接」的方法。當時新恆星散發的紫外光能穿透史前宇宙的冷凍氫氣,改變氫原子的電子狀態。狀態改變會使原子從宇宙背景微波中吸收能量。吸收能量後,原子會激化電子活動。其後,電子再將能量釋出。天文學家可從電磁波頻率中測量到電子釋出的訊號,由此找出史前恆星的下落。

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物理學家 Judd Bowman 與其研究隊伍就在西澳沙漠的默奇森電射電天文台中,設置儀器尋找史前恆星訊號。天文台 257 公里範圍禁止使用其他無線電傳輸器材,減少訊號干擾。而儀器雖只有一張檯大,但擁有天線接收遠方訊號。研究人員可以利用儀器接收南半球上空電磁波訊號而不受雜訊影響。

研究人員測量到的訊號大致與物理模型類近。出乎他們意料之外,當他們研究將儀器調較至模型預計會有氫原子訊號的頻率時,他們未能聽到任何訊號。在 2015 年,他們終於在較低頻率範圍測量到遙遠恆星訊號。但要確定訊號並非雜訊,他們再花了兩年時間將其分析及重新收集數據,包括重整天線、模擬星空訊號,甚至重新建造儀器等,嘗試「推翻」自己的發現。

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最終他們確認現有訊號源自遠古恆星。他們指出這類恆星與現在我們觀察到的完全不同,它們的壽命較短,且會呈藍光。當這類恆星死亡爆炸時,衍生出更重的元素,例如碳、氧等。更有趣是,這個訊號亦比模型預計的強得多。也就是說,早期宇宙的氫氣溫度比原先估計的低接近兩倍。此現象或有兩個情景解釋:一,背景微波比天文學家預料的多,但此機會較少;另一原因,則可能與暗物質有關。

物理學家 Rennan Barkana 嘗試在《自然》的報告中解釋此現象,並指出早期氫氣溫度較低是因為它們部份熱力或轉移至暗物質。 Bowman 的研究結果及 Barkana 的分析尚需另外兩支獨立研究隊伍和其他科學家確認,若證實結果和假說屬實,科學家未來則可循此方向解開暗物質、宇宙史之謎。 

來源:

  1. Washington Post, Scientists detect signal from ‘cosmic dawn,’ when stars first lit up the universe, 28 February 2018
  2. The Atlantic, A Tantalizing Signal From the Early Universe, 28 February 2018

報告:

  1. Bowman, J.D., Rogers, A.E.E.E., Monsalve, R.A., Mozdzen, T.J., & Mahesh, N. (2018). An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum. Nature, 555, 67–70. DOI: 10.1038/nature25792
  2. Rennan Barkana. (2018). Possible interaction between baryons and dark-matter particles revealed by the first stars. Nature, 555, 71–74. DOI: 10.1038/nature25791

文/Edward Ho、審核/Alan Chiu

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