陈学雷：出人意料的宇宙黎明之冷(4)

笔者和Jordi Miralda-Escude教授提出了第一代恒星形成时可能存在平均的21cm吸收谱信号[2]：宇宙黎明之前，自旋温度比较接近宇宙微波背景温度，因此这时既没有发射也没有吸收21cm信号（注：在更早的宇宙黑暗时代，也有一个21cm吸收谱，当时宇宙气体的密度还比较高，原子频繁碰撞，因此自旋温度接近气体温度，而宇宙气体的温度低于宇宙微波背景，因此产生21cm吸收谱。但是，随着宇宙膨胀，气体密度降低，原子碰撞不再频繁，这时气体自旋温度接近宇宙微波背景温度，因此在宇宙黎明前21cm信号就消失了。）；而一旦第一代恒星开始形成，这些恒星会产生大量的Lyman alpha光子，氢原子与Lyman alpha光子的散射会使它的自旋温度迅速趋近原子运动温度。

在黑暗时代，原子运动温度低于当时的宇宙微波背景温度，这样就会产生吸收信号。在我们之前，人们曾认为Lyman alpha光子散射会同时加热气体，使气体温度迅速升到宇宙微波背景辐射温度之上，因此21cm吸收信号存在的时间很短且很弱，主要产生21cm发射信号。而我们更仔细的分析表明，这种Lyman alpha光子散射对气体加热量非常小，不会使其升温。当然，第一代恒星等发光天体还可能产生X-射线等辐射加热气体，但综合考虑，在大多数模型中还是会有一段时间气体温度较低，从而产生明显的21cm吸收谱。因此，这是宇宙黎明的一个信号。

图5. EDGES实验的接收机和校准系统框图

但是要测量这一发射信号，前景辐射的问题依然存在，需要减除频谱上的光滑成分，得到21cm辐射的变化信号。但实际上，天线和接收机对各个频率的响应程度是不一样的，而且是不光滑的。比如，由天线接收的信号并不会100%进入接收机，而是有一小部分会在电路接口处被反射回来，形成驻波；而不同频率的信号形成的驻波也不一样。最后，随着温度变化，电路元件的性能也会改变，这些反射信号也相应变化。

我们通常的应用（比如收音机）需要的精度不高，因此这些细小的变化并不重要。但如果要测量21cm信号，所需的精度极高，这些不光滑的响应就会影响测量结果。为此，Bowman和Rogers精心设计了一套校准系统，不断在天线和内置校准源之间进行切换，并实时测量反射系数，计算机则自动进行电路方程解算，精确地算出系统响应的变化，扣除其影响。