宇宙中第一代星系是如何形成的？暗物质的性质是什么？这两大谜团能否同时通过天文观测进行研究揭秘？

中国科学院国家天文台7日向媒体发布消息说，中国天文学家最新研究提出“一箭双雕”的新方法——利用宇宙黎明时期被形象称为“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)将能够同时揭秘宇宙第一代星系和暗物质的性质。

“21厘米森林”信号天文观测艺术想像图。中科院国家天文台 供图

这项天文领域的重大理论研究突破由中国科学院国家天文台、东北大学合作完成，成果论文于北京时间7月6日夜间在国际专业学术期刊《自然-天文》(Nature Astronomy)在线发表。中国科学院国家天文台徐怡冬副研究员、陈学雷研究员和东北大学张鑫教授为论文共同通讯作者。

(相关资料图)

模拟得到的“21厘米森林”一维功率谱。中科院国家天文台 供图

什么是“21厘米森林”信号？

研究团队介绍说，中性氢的21厘米谱线为宇宙黎明与第一代星系提供了独一无二的探测手段，利用21厘米谱线探测宇宙黎明与再电离也是SKA最重要的科学目标之一。

中性氢的21厘米信号有多种观测模式，常见的观测模式是以宇宙微波背景辐射为背景源的21厘米信号测量。同时，宇宙早期各种结构及其周围的氢原子气体会在高红移射电点源的光谱上产生密集的21厘米吸收线，这些吸收线丛被形象称为“21厘米森林”，由于其信号微弱，且依赖于宇宙黎明时期的射电亮源的获取，多年来“21厘米森林”探测面临极大挑战。

另一方面，“21厘米森林”信号同时受到第一代星系加热效应和暗物质性质的影响，观测上很难区分这两种效应，使得“21厘米森林”信号探测在提出以来的20多年中，难以实际用于限制第一代星系的热效应或暗物质的性质。

“21厘米森林”信号示意图(左图)和模拟得到的不同加热率(fX)下的宇宙黎明“21厘米森林”信号。中科院国家天文台 供图

新方法如何实现“一箭双雕”？

研究团队表示，他们此次对过去鲜有论及的“21厘米森林”探针开展深入研究，并提出一种原创性的统计测量方案，使之不仅能够限制宇宙第一代星系的性质，还可以同时测量暗物质粒子的质量。

徐怡冬称，近年来，已有一批高红移射电噪的类星体被发现，而且SKA也已进入工程建设阶段，开展“21厘米森林”观测已迫在眉睫。“我们意识到由温暗物质效应和加热效应引起的信号变化，在光谱上的尺度分布特征不同，因此通过一维功率谱分析，将可以从统计上提取关键特征以区分这两种效应。”她说，“而且，如果对同一段光谱的两次测量做互相关，将能够显著压低噪声，从而提高信噪比。这对‘21厘米森林’这种弱信号的提取是非常关键的”。

模拟研究结果显示，一维交叉功率谱测量显著提高了观测的灵敏度，同时，一维功率谱的幅度和形状特征使得信号的尺度依赖性被显现出来，这使得“21厘米森林”观测变得切实可行，且能够同时测量暗物质粒子质量和宇宙黎明时期的热历史。

因此，“21厘米森林”的一维功率谱确实可以成为“一箭双雕”的宇宙学探针，为揭开暗物质和第一代星系之谜提供一种极有前景的新途径。

最新研究成果有何意义与影响？

国际著名天文学家、加拿大圆周理论物理研究所Katherine Mack教授在同期《自然·天文》撰文评论指出，中国天文学家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射线对星系际介质的加热以及温暗物质的可能效应。“虽然以前的研究已经检查了21厘米森林作为星系际介质探针的可能性，但将温暗物质效应作为一个独立信号包含进来则为未来的观测提供了一个新的科学目标”。

《自然-天文》编辑团队也发表评论说，“我们宇宙的最远处总是极为神秘，由于被尘埃、吸收光的原子和中间介质中的气体阻挡而很难直接观测”。中国天文学家发表的这项研究将吸收转化为一种优势，利用它打破了其他方法所遭遇的不同效应的简并，并可用于阐明早期宇宙的结构形成。

研究团队总结认为，利用“21厘米森林”信号实现“一箭双雕”天文观测研究这一突破性方法的发展，对于解开暗物质和宇宙早期天体形成的奥秘具有重要意义，将进一步推动人们对暗物质的理解，揭示宇宙结构形成及演化的过程。后续通过更深入的观测和分析，天文学家有望在不久的将来获得关于暗物质性质和早期星系形成的更多见解，从而持续拓展对宇宙的认知。