人民网北京7月7日电(记者赵竹青)北京时间2023年7月7日凌晨,国际学术期刊《自然天文学》在线发表了中国国家天文台合作研究的重大成果。中国科学院和东北大学。 这项理论研究提出,利用宇宙黎明时21厘米森林信号的一维功率谱测量,未来的平方公里阵列射电望远镜(SKA)将能够同时揭示宇宙第一代的本质星系和暗物质。 中国科学院国家天文台徐一东副研究员、陈学雷研究员和东北大学张鑫教授为该论文的共同通讯作者。

宇宙中第一个星系是如何形成的? 他们如何照亮黑暗时代,迎来宇宙黎明? 早期宇宙中的星系间介质是如何被第一代星系电离和加热的? 这些问题一直是天文学领域试图解答的重大科学问题。 中性氢的21厘米谱线为宇宙的黎明和第一代星系提供了独特的探测方法。 利用21厘米谱线探测宇宙黎明和再电离也是平方公里阵列射电望远镜(SKA)最重要的科学目标之一。

中性氢的 21 cm 信号可以在多种模式下观察到。 常见的观测模式是利用宇宙微波背景辐射作为背景源进行21 cm信号测量。 同时,早期宇宙中的各种结构以及周围的氢原子气体会在高红移射电点源的光谱中产生密集的21厘米吸收线。 这些吸收线簇被形象地称为21厘米森林。 由于信号微弱,且依赖从宇宙黎明时获取明亮的射电源,21厘米森林探测多年来面临着巨大的挑战。 另一方面,21厘米森林信号同时受到第一代星系的加热效应和暗物质特性的影响。 在观测中很难区分这两种效应,使得21厘米森林探测在提出后的20多年里很难实际使用。 用于限制第一代星系中暗物质的热效应或特性。

这项工作对过去很少讨论的21厘米森林探测器进行了深入研究,并提出了一种独创的统计测量方案,不仅限制了宇宙中第一代星系的属性,同时也测量暗物质粒子的特性。 质量。

近年来,发现了多颗具有高红移射电噪声的类星体,SKA望远镜已进入建设阶段。 开展21厘米森林观测刻不容缓。 “我们意识到,暖暗物质效应和加热效应引起的信号变化在光谱中具有不同的尺度分布特征。因此,通过一维功率谱分析,可以统计提取关键特征来区分这两种效应。” 徐益东介绍说:“此外,如果对同一频谱的两次测量进行互相关,噪声将显着降低,信噪比将得到提高。” “这对于提取像21厘米森林这样的微弱信号非常关键。”

仿真结果表明,一维互功率谱测量显着提高了观测的灵敏度。 同时,一维功率谱的幅度和形状特征可以揭示信号的尺度依赖性。 这使得21厘米的森林变得可行,能够同时测量暗物质粒子的质量和宇宙黎明时的热历史。 因此,21厘米森林的一维功率谱确实可以成为一石二鸟的宇宙学探测器,为揭开暗物质和第一代星系之谜提供了一种极具前景的新途径。

徐益东、张欣受邀为《自然·天文学》撰写介绍性论文。 加拿大周界理论物理研究所的国际知名专家凯瑟琳·麦克教授在《自然天文学》上评论道:“这项研究提出了一种有趣的方法,利用21厘米森林功率谱同时限制两种现象:宇宙X射线加热“星际介质和暖暗物质可能产生的影响。虽然之前的研究已经检验了21厘米森林作为星际介质探测器的可能性,但将暖暗物质效应作为独立信号纳入进来,为未来的观测提供了一个新的科学目标。”

《自然天文学》编辑团队也评论了这项研究:“我们宇宙最远的地方总是极其神秘,难以直接观测,因为它们被中间介质中的尘埃、吸光原子和气体所阻挡。”研究将吸收转化为一种优势,利用它来打破其他方法遇到的不同效应的简并性,并可用于揭示早期宇宙的结构形成。”

作者 admin