陈学雷：出人意料的宇宙黎明之冷

宇宙演化历史

撰文 | 陈学雷（中国科学院国家天文台）

责编 | 吕浩然

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在最近一期的《自然》杂志上，刊登了一篇题目平淡且低调的论文：《天空平均谱中一个中心位于78兆赫的吸收轮廓》[1]。然而对于宇宙学家而言，这却不啻是一声惊雷：因为这可能正是宇宙黑暗时代结束、第一代恒星形成的宇宙黎明所产生的信号。

按照现在已被广泛接受的宇宙学理论，宇宙在大爆炸（Big Bang）结束后进入了黑暗时代，这时的宇宙中还没有恒星、星系等，物质几乎是均匀分布的，只有一些微小的不均匀密度扰动。随后，在万有引力的作用下，这些扰动逐渐增长，变得越来越不均匀。最终，其中密度特别高的地方会坍缩下去，形成第一代恒星，这也标志着黑暗时代的结束，宇宙黎明开始。

天文学家们早已看到了今天宇宙中的大量恒星和星系，也看到了宇宙大爆炸留下的遗迹——宇宙微波背景辐射，但是宇宙黑暗时代和黎明时代则一直处于理论假说阶段：黑暗时代没有发光的天体，宇宙黎明虽有发光的第一代恒星，但距离极为遥远又非常稀少，要观测也非常困难。

大约二十年前，一些宇宙学家开始构想如何才能观测宇宙的黑暗时代与黎明，他们想到的办法是借助21cm辐射。在黎明前的宇宙中，普通物质几乎完全由大爆炸中产生的氢、氦原子组成，这两种原子都处在它们的基态能级上。不过，氢原子的基态能级其实被“超精细结构”分裂成两个：由于电子与氢原子核都有沿自旋方向的磁矩，因此取决于电子与原子核的自旋是平行还是反平行，它们的能量也稍有不同。

如果电子自旋翻转，可以发射或吸收一个相应的光子，其波长是21cm，因此天文上习惯称为21cm辐射，这是射电天文史上第一个被预言和探测到的谱线。如果从高能级跃迁到低能级，就会发射一个21cm光子，反之低能级的原子吸收一个21cm波长的光子，就会跃迁到高能级。

宇宙中处处弥漫着宇宙微波背景辐射的光子，其中有许多光子的波长是21cm，因此这两个方向（由高向低、由低向高）的跃迁都在不断发生。宇宙黑暗时代和黎明时代的大量氢原子可以发射或者吸收21cm辐射形成谱线，当然经过宇宙红移（遥远的星系发出的光谱线的波长会向长波长方向偏移），今天它们的波长已变长而不再是21cm，但根据其来源仍称之为21cm辐射。不同的波长（或者说频率）对应的是不同的红移，也就是离今天的我们不同距离、不同时间的宇宙。比如，如果我们观测的频率是78MHz，它的波长是21cm的18.2倍，这就对应红移17.2的宇宙。