探索黑暗時代和宇宙黎明

近日，美國 EDGES 實驗團隊在《自然》雜誌上發表論文，宣稱探測到了宇宙黎明產生的21 cm 吸收譜信號。雖然這一觀測結果還有待進一步證實，但也引起了全世界天文學家們的廣泛興趣。恰在此時，中國科學院「空間科學」先導專項也於2018年3月1日啟動了超長波天文觀測陣列背景型號項目研究，有望首次揭開超長波天空的神秘面紗，並探索黑暗時代和宇宙黎明。

宇宙黑暗時代是在大爆炸結束（宇宙年齡38萬年）到第一代恆星形成之前的時期，這一時期的宇宙中還沒有恆星、星系等發光天體，甚至今天宇宙中的許多重元素如碳、氧、鐵等也都還不存在，只有氫原子和氦原子瀰漫在空間中。此後在萬有引力的作用下，經過幾千萬年到幾億年的演化，才開始形成第一代恆星和星系，發出第一縷曙光，宇宙迎來了黎明。此後形成越來越多的恆星、星系和類星體，它們的輻射最終將宇宙氣體電離（宇宙再電離），演化為今日的宇宙。關於宇宙的這一段演化，探測非常困難，我們目前還所知極少，《科學》雜誌將此列為全世界最前沿的125個科學問題之一。

圖1. 宇宙歷史

黑暗時代和宇宙黎明的主要可觀測信號是宇宙中大量分布的氫原子所發射或吸收的波長為21厘米的電磁輻射（簡稱為21 cm 輻射）。隨著宇宙膨脹，這些輻射的波長也隨之紅移變長。通過對各個不同波長的21 cm 輻射進行測量，就可以獲得不同距離上氫原子分布，從而繪製出宇宙的三維圖像。

不過，和銀河系等離我們較近的天體產生的輻射相比，這些遙遠宇宙的21 cm 信號非常微弱，探測有相當的難度。儘管如此，由於其巨大的科學價值，目前國際上已有許多實驗計劃嘗試對其進行探測，如荷蘭等歐洲國家研製的 LOFAR 望遠鏡，澳大利亞的 MWA 望遠鏡，美國的 LWA 望遠鏡，以及美國和南非正在聯合研製的 HERA 望遠鏡。

圖2. 幾個探測宇宙再電離21cm信號的陣列：21CMA（中國），LOFAR（荷蘭），LWA（美國），MWA（澳大利亞）

我國也研製了21CMA陣列對其進行探測，口徑500米的世界最大單天線望遠鏡——「中國天眼」 FAST 也計划進行探測實驗。此外，由包括中國在內的多個國家聯合研製的世界最大射電望遠鏡陣列平方千米陣（SKA）也把宇宙再電離的成像觀測作為其最重要的科學目標。

以上這些實驗主要在地面進行，用於探測宇宙的「清晨」——宇宙再電離。但是，宇宙的「黑暗時代」和「黎明時代」距離我們更遙遠，紅移更高，原來的21 cm 輻射已經變成波長很長的電波了，故此將其稱為超長波。

由於地球大氣電離層對超長波有強烈的折射和吸收作用，且這一頻段地球上也有大量人工和自然產生的電磁輻射，經電離層反射後在大範圍內傳播，因此在地面上非常難以觀測，目前頻率30 MHz 以下波段缺乏高質量的天文觀測，其中10 MHz 以下幾乎還是空白，30 MHz - 120 MHz 的觀測精度也受到一定影響。

要進行這一頻段觀測，最好是在太空進行。不過，即便在太空，地球也會對周圍的空間產生巨大影響。幸運的是，地球的天然衛星——月球可以幫助遮擋來自地球的干擾電波，因此正如全國政協委員、中國科學院國家空間科學中心吳季研究員所說的，「最好的辦法就是到月球背面，在非常安靜的電磁環境中去傾聽。」

多年來，我國科學家一直關注著這一前沿領域。2003年，時在美國的陳學雷博士和 Jordi Miralda-Escude 教授首次預言了 EDGES 實驗所尋找的宇宙黎明信號--21 cm 的強吸收譜。2005年，提出了用繞月衛星進行低頻射電觀測宇宙黑暗時代的設想。2007年，國家天文台開展了空間甚低頻射電天文觀測的關鍵技術研究。2014年，中歐聯合團隊提出了 DSL 計劃，對超長波天文觀測陣列方案開展了系統研究。在即將進行的嫦娥4號任務中，也將搭載低頻射電試驗項目，對超長波陣列部分關鍵技術進行驗證。

2018年，中國科學院空間科學先導專項（二期）瞄準重大基礎科學前沿，遴選出了可能實現重大突破的方向，宇宙黑暗時代探測便是其中之一，超長波天文觀測陣列項目應運而生，將圍繞首次獲取超長波段高解析度天空圖像、精密測量全天射電頻譜，探索宇宙黑暗時代和黎明、發現和研究低頻射電源、研究銀河系星際介質、太陽和系內行星射電活動等科學目標開展研究。

由於超長波的電波波長為幾米到幾百米，而衛星上能夠安裝的接收天線尺寸有限，方向性不好，單靠一個天線難以精確測量超長波的輻射方向。這有點類似人的耳朵而不是眼睛（人耳聽到的聲波一般波長為幾十到幾百厘米，而耳朵外廓只有幾厘米），單憑一隻耳朵難以分辨傳來聲音的方向。不過，憑藉兩隻耳朵，我們已可大致分辨聲音的方向。同樣，如果有多個天線接收信號，可以根據不同天線信號的「干涉測量」得到它們收到信號的時間差，進而精確分辨不同方向傳來的電波強度。

超長波天文觀測陣列計劃由若干顆環繞月球編隊飛行的衛星組成，包括一顆主星和若干子星，每顆子星上裝有接收機，將收到的信號發給主星。主星一方面負責測量出每顆子星的相對位置，一方面對收到的數據進行處理，並將結果保存在星上。當各星都處在月球背面、地球的干擾被遮蔽時開機進行觀測，而當繞到月球正面時則將保存的數據傳回地球。

圖3：超長波天文陣列由若干環繞月球編隊飛行的衛星組成

根據這些數據，可以繪製出超長波波段天空的天圖，從而首次揭開這一頻段的神秘面紗。同時，也可以進行高精度的全天平均頻譜測量，探測宇宙黑暗時代和宇宙黎明的信號。

雖然國際上已有很多天文衛星，但天文空間觀測陣列尚屬首次，有很多關鍵技術亟待解決。在背景型號研究期間，項目組將開展科學目標凝鍊、總體方案設計、關鍵技術攻關、原理樣機研製以及地面試驗驗證等工作，為未來的工程立項做好充分準備。這將使我國在超長波射電研究領域跨出具有劃時代意義的世界第一步，有望成為由中國引領的重大國際科學計劃，取得突破性的重大科學發現，為我們揭曉波瀾壯闊的宇宙演化背後最基本的物理規律。

該項目團隊成員主要來自中科院國家天文台、國家空間科學中心等單位，項目負責人為國家天文台陳學雷研究員。

作者：雲將

來源：中國科學院國家天文台