天文学家正在寻找无线电波亮度的明显下降，这将标志着宇宙从宇宙黑暗时代到宇宙黎明的过渡。
ESA/Christophe Carreau/Science Source
2018 年，在澳大利亚内陆操作名为 EDGES 的天线的天文学家报告说，特定频率的无线电波比来自夜空的其他波要暗得多。这一发现发表在《自然》杂志上，被誉为宇宙大爆炸后第一颗恒星诞生的开创性信号——这一事件被称为“宇宙黎明”，本应在光中留下这样一个标志。
更重要的是，EDGES 观测到的无线电频谱下降看起来与宇宙学家预测的截然不同。数据表明，早期宇宙异常寒冷，引发了许多理论活动，并试图确认世界其他天文学家的信号。
今天，印度班加罗尔拉曼研究所的一个这样的团队发布了使用名为 SARAS 的无线电天线搜索 EDGES 倾角的结果。天文学家于 2020 年初将天线漂浮在印度的两个偏远湖泊上，缩短了他们的数据收集时间，并在第一次全市 COVID 封锁开始前几个小时返回班加罗尔。在大流行分析了他们的数据之后，SARAS 团队现在在《自然天文学》中报告说，他们没有发现 EDGES 观察到的下降迹象。
加州大学伯克利分校的射电天文学家亚伦·帕森斯（ Aaron Parsons ）没有参与这两个实验，他说：“如果它真的在天空中，它应该在他们的数据中重现。” “我认为那里没有很大的回旋余地。”
亚利桑那州立大学 EDGES 实验的负责人Judd Bowman表示，需要进一步的工作来解决这个问题。 “我们很高兴看到他们早期观察的结果，”他在一封电子邮件中写道，并补充说，“鉴于进行此类观察的难度，未来还有一个实质性的过程来评估这项新工作并将其整合到正在进行的调查。”
氢原子自然吸收和发射波长为21厘米的无线电波； EDGES 和 SARAS 旨在检测这些波。在他们前往地球的旅程中，波浪因宇宙的膨胀而被拉长。来自更远的氢云的波膨胀时间更长，到达地球的波长比最近由更近的云发出的波更长。光的拉伸为天文学家提供了宇宙历史事件的时间戳记录。
半个多世纪以来，天文学家一直使用 21 厘米的辐射来研究附近的星系。但最近，通过 EDGES 和 SARAS 等实验，他们开始测量更长的波长，这些波长更容易被地面和银河无线电干扰所掩盖，以寻找过去更深处的氢云排放物。
EDGES 天线（左）从偏远的澳大利亚西部收集数据，而 SARAS 天线则漂浮在印度的一对湖泊上。
机车实验室；由 Saurabh Singh 提供
当氢原子第一次形成时，它们吸收然后以相等的速率发射周围 21 厘米的辐射，这使得充满原始宇宙的氢云实际上是不可见的。
然后是宇宙黎明。来自第一颗恒星的紫外线辐射激发了原子跃迁，使氢原子吸收的 21 厘米波多于它们发射的波。从地球上看，这种过度吸收会表现为特定无线电波长的亮度下降，标志着恒星开启的那一刻。
随着时间的推移，第一批恒星坍缩成黑洞。围绕这些黑洞旋转的热气体产生的 X 射线加热了整个宇宙的氢云，增加了 21 厘米的排放率。我们会观察到，在比旧光略短的无线电波长处，亮度会增加。最终结果将是在狭窄的无线电波长范围内亮度下降，就像 EDGES 检测到的那样。
但观测到的倾角发生在 4 米波长附近，这并不是理论宇宙学家所预期的：波谷的时间和形状是错误的，这表明第一批恒星出奇地早地开启，并且 X 射线很快淹没了宇宙之后。更奇怪的是，这种下降非常明显，表明早期宇宙中的氢比理论模型预测的要冷，这可能是因为与充满宇宙的暗物质的奇异相互作用。
或者，EDGES 下降可能有更平凡的起源。
来自宇宙黎明时代的氢的 21 厘米发射以几米的波长到达地球，在用于 FM 广播和电视广播的范围内；这就是为什么 EDGES 在如此偏远的地方工作的原因。更重要的是，信号被我们银河系发出的数千倍亮度的无线电发射所淹没，并且由于它通过地球大气层的上层而被扭曲。
天线本身的微妙影响同样重要。无线电天线的环境可以稍微改变它敏感的夜空区域。在如此精确的实验中，即使是几十米外表面的微弱反射也很重要。这种反射的影响将在某些无线电波长处增强，从而导致天线的观察区域在不同波长下发生微小变化，从而可能导致测量的亮度发生变化。
EDGES 团队确实在他们的数据中看到了这种波动，而罪魁祸首或许恰如其分，是放置在天线周围地面上的 30 米宽金属屏幕的边缘，以阻挡地面本身的无线电发射。该团队在分析中校正了这些边缘的可能反射，但正如当时一些天文学家指出的那样，如果校正稍微偏离，结果可能是在与真实宇宙无法区分的窄波长范围内背景亮度下降黎明信号。
SARAS 团队采用了不同的天线设计方法，以在所有波长上追求更均匀的灵敏度。 “整个设计理念是保持光谱平滑度，”SARAS 论文的主要作者Saurabh Singh说。天线——一个支撑在聚苯乙烯泡沫塑料筏上的铝锥——漂浮在平静的湖中，以确保在任何水平方向上都不会有超过 100 米的反射，帕森斯称之为“一种非常酷和创新的方法”。此外，水中光速慢，减少了湖底反射的影响，水的均匀密度使环境更容易建模。
最后，SARAS 团队测量了大约 4 米波长的平滑光谱，没有 EDGES 看到的深度倾斜迹象。 （是否有任何下降仍有待确定；帕森斯强调，SARAS 团队需要做更多的工作来了解他们自己测量的微妙之处。）
蒙特利尔麦吉尔大学的射电天文学家H. Cynthia Chiang表示，EDGES 和 SARAS 的校准和分析程序都非常彻底，现在说哪个结果是正确的还为时过早。 “分歧的程度足以让人们感到不舒服，但我认为这远非故事的结局，”她说。 “从我的角度来看，它增加了兴奋感。”她正在领导另一个名为 PRIZM 的后续实验，该实验将在距离南非南端 1000 公里的一个小岛上进行，那里几乎完全没有地面无线电干扰——SARAS 的主要挑战。
Parsons 预计 SARAS 空值结果将保持不变。如果是这样，那可能意味着宇宙黎明信号太微弱，目前的仪器无法辨认。 “但我认为这不应影响 [EDGES] 在推动这一领域向前发展方面的大量创新，”他说。