默奇森寬場陣列(ㄩMWA)的一部分(圖:John Goldfield/Celestial Visions)

今日,恆星佈滿著夜空。然而,在宇宙形成的初期,宇宙中根本不存在恆星。一個國際科學團隊比起以往更近距離地偵測、測量、及研究來自所述時期的一個訊號,而這個訊號自從無星時代在大約 130 億年前結束以來,就一直在宇宙間運行。

搜尋遠古訊號

由來自華盛頓大學(University of Washington,UW)、墨爾本大學(University of Melbourne)、科廷大學(Curtin University)及布朗大學(Brown University)的科學團隊於 2019 年在科學期刊《天文物理期刊》(Astrophysical Journal)報導說,他們將從「默奇森寬場陣列」(Murchison Widefield Array,MWA)無線電波望遠鏡所收集到的無線電波發射數據改善了將近 10 倍以上。而目前,為了一道來自宇宙歷史中「黑暗時期」(dark age)的訊號,該科學團隊正在搜尋來自 MWA 的數據。了解這段黑暗時期能夠幫助科學家回答當今宇宙中的主要問題。

科學團隊中的一員暨 UW 物理系的米格爾·摩拉利斯教授(Miguel Morales)表示:「我們認為在那段時期的宇宙性質對於第一批恆星的形成有重要的影響,並推動當今宇宙的結構特徵。在那段時期,物質散布於宇宙中的方式可能塑造了當今宇宙中星系及星團散布的方式。」

黑暗時代開啟

在黑暗時代之前,宇宙很熾熱,且密度很大。電子及光子規律地互相吸引,使得宇宙變得不透明。但是,當宇宙年齡還不到 100 萬年時,電子與光子間的互動變得稀少。擴張中的宇宙逐漸變得透明且黑暗,而開始了黑暗時代。這個沒有恆星的時代持續了數億年之久,在這期間中性的氫,也就是不帶電的氫原子,佔據了整個宇宙。

摩拉利斯教授表示:「對於這個黑暗時代而言,當然沒有我們可以研究,以光為主的訊號,因為並不存在可見光。但是,有一種我們可以搜尋的特定訊號。它來自那個中性的氫。我們從來沒有測量過該訊號,但我們知道它存在。但是它難以偵測,因為自從 130 億年前該訊號被發射以來,我們的宇宙就變得非常忙碌,充滿著來自恆星、星系的其他活動。甚至,我們的科技也淹沒了來自中性氫的訊號。」

摩拉利斯教授及他的團隊正在追蹤的 130 億年訊號是中性氫所發散出來的電磁無線電波,波長 21 公分。宇宙從那時開始就一直擴張,將訊號波長拉長為將近 2 公尺。摩拉利斯教授表示,該訊號應該駐藏有關於黑暗時代以及結束黑暗時代的事件之訊息。

黑暗時代結束

當宇宙年齡正好 10 億年時,氫原子開始聚集,並形成了第一批恆星,進而終止了黑暗時代。來自這些第一批恆星的光打開了一個新時代,即所謂再電離時代(Epoch of Reionization),在該期間來自這些恆星的能量將大部分的中性氫轉成了離子化電漿,而這些電漿自此佔據了星際空間直至今日。

摩拉利斯教授表示:「再電離時代及其之前的黑暗時代是了解我們宇宙特徵的關鍵時期,例如為何有些區域充滿著星系,但有些卻相對地空曠、以及物質的分布,甚至是暗物質及暗能量的分布。」

分析工具

MWA 是該團隊的主要工具。這個無線電波望遠鏡包括了 4096 支偶極子天線(dipole antenna),可以接收低頻率訊號,例如中性氫的電磁波訊號。

但是這類型的低頻訊號很難被偵測到,這是因為在宇宙間穿梭有許多來自其他源頭的電磁雜訊,包括星系、恆星及人類活動。摩拉利斯教授及其同事發展出了更複雜的方法來過濾這些雜訊,並更接近所需的訊號,在 2019 年,研究人員宣布他們從超過 21 小時的 MWA 數據中,成功過濾掉電磁干擾,包括來自自身無線電波廣播的雜訊。

該團隊目前還有由 MWA 所收集,約 3000 小時的追加無線電波放射數據。研究人員將試著過濾掉干擾,並試著更靠近來自中性氫的難以捉摸的訊號,進而更靠近其所能揭曉的黑暗時代的面紗。

參考資料:

  1. Urton, J., (2020, June 12). Scientists close in on 12-billion-year-old signal from the end of the universe’s ‘dark age’. Phys.Org
  2. Li, W. et al., (2019, December 17). First Season MWA Phase II Epoch of Reionization Power Spectrum Results at Redshift 7. The Astrophysical Journal. DOI: 10.3847/1538-4357/ab55e4
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