这个宇宙的黑暗森林里，藏着两个大秘密…
这个宇宙的黑暗森林里，藏着两个大秘密…科学大院 2023-09-22 16:56
The following article is from 现代物理知识杂志 Author 徐怡冬，张鑫
上世纪90年代初有一部美国电影《人鬼情未了》，讲述了一个凄美的爱情故事，萨姆中枪身亡后变成一个幽灵，与未婚妻美莉展开一场人鬼殊途的隔世情缘，这个设定鬼魂存在的科幻色彩爱情故事也成为影史爱情经典。剧情设定，人类是无法感受到鬼魂存在的，因此我们会直接穿过他们的身体，他们也会直接穿过我们的身体，二者之间完全感受不到彼此的存在，也几乎没有相互作用。
现实世界中，有这种看不到、摸不着的“鬼魂”存在吗？还真有这样一个“鬼魂的世界”，它就存在于我们的周围，与我们共存于同一个物理空间，但我们几乎完全感受不到它们的存在。这个“鬼魂”就是“暗物质”。
暗物质在宇宙中不仅存在，而且还大量存在。根据宇宙学的观测，构成我们世界的重子物质（原子物质）只占宇宙中总能量的5%，而暗物质则占了27%。除引力之外，暗物质与重子物质之间几乎没有任何相互作用。一种流行的理论认为暗物质存在某种弱相互作用，但目前尚未找到支持该理论的直接证据。目前为止，支持暗物质存在的所有证据均来自于天文学观测，靠的都是引力效应。
可见物质、暗物质和暗能量在宇宙中的能量占比示意图，其中暗物质占比27%。（图片来源：veer图库）
我们虽然知道暗物质存在，但并不了解它们的性质。比如，我们还完全不知道它们有多重。最被人们广泛接受的冷暗物质模型认为，暗物质很重，大概是质子质量的几十倍至几千倍。暗物质的本质是当前基础科学中最重大的科学问题之一。
暗物质为宇宙带来光明
暗物质是暗的。能发光都是普通的重子物质。但令人颇感讶异的是，宇宙中如果没有这些不发光的暗物质，就不会形成各种发光的天体。
暗物质的总质量是普通物质的五倍之多。这么多的暗物质在引力的作用下聚集起来，形成了规模庞大的暗物质晕。重子物质落入到暗物质晕的引力势阱中，才有机会进一步集结成团，形成星系以及星系中的大量恒星。重子物质能够通过发光放出热量，从而可以集结得更紧密，成为各种发光天体。正因如此，我们可以说，不发光的暗物质为宇宙带来了光明。
我们今天看到的各种大型星系，都是经过多次的星系并合演化而来的。那么，最早的星系是如何形成的，它们形态如何，有何特性，又是如何加热和电离整个宇宙的呢？关于星系的形成和演化以及第一代星系的形成历史等问题也是天文学领域中最重大的难题之一。
宇宙中的星系示意图（图片来源：veer图库）
今天，可以通过最先进的光学和红外望远镜的深场观测看到非常古老的星系，它们确实与现代星系迥然不同。最早的星系大概形成于宇宙年龄约一亿年左右，彼时宇宙漆黑一片，几乎没有可供望远镜观测的信号。即便有光学信号，也因为太过于遥远，光学望远镜完全无法观测。要看到最古老的第一批星系，再先进的光学和红外望远镜也完全无能为力了。
要想探测到宇宙的第一代星系，目前唯一能够借助的工具只有中性氢原子，即氢原子的21厘米谱线。利用这个工具，可以探索宇宙最古老的样子，揭秘宇宙如何从黑暗走向光明，同时也很有希望为我们揭示暗物质的奥秘。
到底是“冷”还是“温”？
暗物质的“暗”是指它们与其他物质的相互作用极为微弱。在当前的宇宙学中，暗物质的主流模型是冷暗物质模型。这里，“冷”的意思简单说就是运动速度比较慢，至少跟光速相比是无法相提并论的，这样的物质我们称之为“非相对论性的”。
宇宙在婴儿时期非常炽热，各种粒子频繁碰撞，处于“宇宙热浴”之中。根据主流的模型，暗物质的碰撞截面非常之小，但也并非是零，因此它们在婴儿宇宙时期也处于热浴之中。但随着宇宙的膨胀，温度快速下降，暗物质很快就从宇宙热浴中退场了，以后就不再参与这场碰撞游戏。对于冷暗物质，此时它们的热运动速度是非相对论性的。在这样的理论设定中，暗物质是非常重的粒子，质量是质子质量的很多倍。
冷暗物质模型在宇宙学中获得了极大的成功，非常完美地解释了宇宙的大尺度结构形成。如果暗物质退出热浴碰撞游戏时还是相对论性的，即运动速度接近光速，那么它就是热暗物质。但是以热暗物质为主的暗物质模型无法合理解释宇宙大尺度结构的观测，因此在二者的竞争中，冷暗物质模型完美胜出。
当前，所谓的“宇宙学常数-冷暗物质”模型（简称为????CDM模型）可以非常好地解释各种宇宙学观测数据。普朗克卫星的宇宙微波背景（CMB）观测数据可以精确限制????CDM模型的宇宙学参数，它的6个基本参数中的5个已经被CMB测到了1%的精度以内。所以，现在????CDM模型已被广泛接受为宇宙学的标准模型。此处顺便提一下，近十年来出现了所谓的“哈勃危机”，正在对宇宙学标准模型形成挑战，当然这并不是本文的主题，就不展开讨论了。
尽管冷暗物质在大尺度结构的研究中取得了成功，但是它在星系尺度上却碰到了一系列棘手的问题。数值模拟显示，在冷暗物质模型中，星系的密度轮廓在星系中心形成陡峭的尖峰，而这与实际观测明显不符。此外，在冷暗物质模型中，大型星系周围存在大量的“卫星星系”，而在实测中看到的卫星星系数量与之相比要少得多。这些问题严重地困扰着冷暗物质模型。
而对于这些问题，一个被称为“温暗物质”的模型可以很好地予以解释。温暗物质的粒子质量仅为质子质量的百万分之一的量级（约为几keV）。冷暗物质与温暗物质在宇宙大尺度的层面上几乎没什么区别，都可以很好地解释宇宙学观测数据，主要的区别在于小尺度结构。温暗物质由于运动速度快得多，相比于冷暗物质，它可以在一定程度上对小尺度结构造成“抹平”的效应。因此，在温暗物质模型中，小尺度结构要明显少一些。
当前在暗物质的研究中，最重要的问题之一就是如何区分暗物质到底是“冷”的还是“温”的。
要想区分冷暗物质和温暗物质，关键是要精确测量宇宙小尺度上的结构，但这是极其困难的。目前只有少数几种与之相关的观测，如强引力透镜、赖曼-阿尔法森林、银河系卫星星系等，它们已经对温暗物质粒子质量给出了限制。但当下的观测只能给出一个下限：温暗物质粒子的质量至少为几个keV。但仅有下限还不够，我们还需要一个温暗物质粒子的质量上限。有没有办法能得到更精确的限制呢？
最近的一项工作指出，利用宇宙黎明时期的21厘米森林观测，未来的平方公里阵列射电望远镜（SKA）有望能够同时测量暗物质粒子质量和宇宙黎明的气体加热历史，后者与宇宙中第一批星系的产生过程息息相关。因此，21厘米森林的观测有望同时为两个重大问题寻找答案。
用氢原子参透宇宙的一生
理解宇宙如何从黑暗走向光明对于深刻认识星系和宇宙结构的形成和演化具有重要意义。然而，宇宙的最初演化阶段是一片黑暗的，要想探测到这个时期无比困难。
事实上，宇宙第一代发光天体重新照亮宇宙的过程从未被人类有效探索过。
在宇宙年龄为38万年的时候，原子核（主要是质子，还有部分氦原子核）俘获电子，形成稳定的中性原子，主要是氢原子。此时，光子与电子不再频繁散射，因此光子退出了与重子物质的碰撞游戏（即“退耦”，“最后散射”），形成了宇宙微波背景辐射。
宇宙微波背景辐射（图片来源：Planck）
从此宇宙进入了“黑暗时代”。宇宙中除了作为背景的CMB光子之外，没有其他发光天体，有的只是一片几乎均匀的暗物质和氢原子气体（以氢原子为主，氢约占四分之三质量，氦约占四分之一）。
黑暗时代持续了大约一亿年左右。在这寂寞的一亿年里，暗物质在引力的作用下开始形成暗晕团块，原子物质也落入暗晕的引力势阱中进一步结团，最终最早的一批星系在暗晕中心诞生。“宇宙黎明”开始了，星系的光开始照亮宇宙。
随着星系以及星系中的恒星和黑洞的形成，恒星的紫外光子溢出星系，逐步电离星系际介质中的氢原子，同时恒星和黑洞产生的X射线也开始对星系际介质进行加热。最终，在宇宙年龄接近十亿年的时候，宇宙星系际介质中的氢原子几乎被完全电离。这一氢原子被发光天体再次电离的过程被称为“宇宙再电离”。
宇宙演化示意图（图片来源：NAOJ）
宇宙最初的十亿年对于理解宇宙的奥秘如此之重要，那用什么来进行探测呢？氢原子的21厘米谱线几乎是唯一的直接探测手段。
氢原子的21厘米谱线又是什么呢？
实际上氢原子可以在射电波段吸收或辐射光子，对应光子的波长约为21厘米，因此该谱线通常被称为21厘米谱线。这个谱线是由氢原子基态电子的自旋翻转跃迁导致的。由于原子核（在氢原子的情况即质子）的磁矩的影响，基态电子的自旋取向不同会导致能量有极微小的劈裂，这就是氢原子基态能级的超精细结构。具体来说，当电子的自旋与核自旋平行的时候，形成的自旋三重态的能量会比二者反平行时形成的自旋单态的能量高那么一点点，因此当电子自旋翻转时，会发射或吸收一个波长为21厘米的光子（对应的频率为1420兆赫兹）。
氢原子基态能级超精细结构跃迁（电子自旋翻转）产生的21厘米辐射。（图片来源：原理）
在黑暗时代和宇宙黎明时期，氢原子气体比宇宙微波背景更冷，它们会从微波背景中吸收21厘米光子；在宇宙再电离时期，气体已被加热，因此氢原子会发射21厘米信号。因此，如果以CMB为背景光源，我们就可以对这些21厘米谱线的信号进行探测。这些21厘米吸收和发射信号会帮助我们理解宇宙的早期演化历史。
早期宇宙中氢原子的21厘米辐射的波长会随着宇宙的膨胀被拉伸得更长。例如，宇宙再电离时期的21厘米信号的波长在今天已经被拉伸到1.5-2.3米；黑暗时代对应的21厘米信号波长已在6.5米以上。因此，我们需要用低频射电天线来接收这些信号。
在宇宙再电离之后的时代（后再电离时代），星系际介质中已经几乎没有中性氢了，但宇宙中仍然存在大量的中性氢原子，它们都藏身于星系之中。因此，在现代宇宙中，星系中的中性氢仍在不断地辐射21厘米信号。如果可以用射电望远镜探测这些信号，那么就可以用21厘米信号追踪星系。从宇宙学的角度来看，就有了一个利用射电手段测量宇宙大尺度结构的方法。
21厘米宇宙学图解（图片来源：Discover magazine）
简单总结一下，中性氢原子的21厘米辐射为我们探索宇宙提供了巨大的机遇。首先，为我们打开了观测宇宙的新窗口，让我们能够利用氢原子的21厘米谱线作为信号在射电波段对宇宙演化进行探测。其次，由于静系波长（或频率）是固定的，波长的拉长程度自动就给出了源的红移，因此利用这种谱线巡天可以有效对宇宙的演化进行断层扫描。第三，原则上我们可以利用21厘米信号对CMB形成以后的整个宇宙演化历史进行探索。
也就是说，如果能够用好21厘米谱线，宇宙的一生都可以通过断层扫描进行仔细的检查。
宇宙黎明的黑暗森林
按照前面所讲的，在早期宇宙探索中，以CMB为背景光源，可以做两种21厘米信号的观测，一个是全天平均频谱测量，一个是断层扫描测量。
这两种观测方式是最主流的21厘米观测方式。当前的一些21厘米低频探测实验已经开始以这两种方式进行观测，而且已经得到了一些初步的结果。正在建设中的SKA也准备以这样的方式开始对宇宙黎明和再电离进行探测。
除此之外，还有一种有趣的探测方法，被称为“21厘米森林”。
当背景源为高红移射电亮的点源时（如射电噪类星体、伽马射线暴的射电余晖等），它们发出的光被其路径上更冷的中性氢原子气体云团在21厘米波长上吸收，那么在源的光谱上就会形成一系列密集的21厘米吸收线（对应不同红移上的吸收），这些森林状的吸收线被形象地称为“21厘米森林”。由于21厘米森林对于小暗晕的尺度很敏感，它实际上提供了在宇宙黎明时期探测小至几千秒差距尺度的独一无二的手段。
以类星体为背景点源模拟得到的21厘米森林（图片来源：Xu et al. 2011）
正如前文中所述，探测宇宙的小尺度结构是非常困难的。特别是，在这些小暗晕中，甚至可能完全没有恒星形成，它们是完全黑暗的。但是小暗晕中及其周围会聚集中性氢原子气体，那么氢原子对高红移射电点源的21厘米吸收线就为探测小暗晕这样的小尺度结构提供了最为有效的手段。
如果能够探测到这样的21厘米吸收森林，那么通过对吸收暗线的计数，就可以对暗物质粒子的质量进行限制，从而回答到底暗物质是冷的还是温的这一基本问题。
21厘米信号描绘了宇宙从第一颗恒星出现之前的黑暗时代到我们今天看到的布满星系的宇宙的演化过程。（图片来源：Castelvecchi 2019）
然而，早期宇宙结构形成的加热效应会轻易抑制21厘米森林信号，使探测变得非常具有挑战性。另一方面，正如前面所谈到的，早期加热历史本身也是天体物理和宇宙学中的一个基本且未解决的问题，它与第一批星系的形成有直接的联系。
实际上，如果21厘米信号是可以被探测到的，那么它本身也会成为宇宙加热历史的绝佳探针。气体亮温度正比于光深，而光深反比于自旋温度，自旋温度又由于碰撞耦合而决定于宇宙加热历史，因此宇宙黎明对气体的加热（主要源于X射线加热）会压低吸收线的幅度。同时宇宙加热也在一定程度上会减少中性吸收体的数密度。所以，通过对21厘米森林的测量，通过信号幅度和吸收线数密度也可以来限制宇宙加热历史（不同红移的星系际介质温度）。
中性氢21厘米信号在黑暗时代、宇宙黎明和再电离时期的演化。（a）21厘米亮温度涨落的演化。（b）预期的21厘米亮温度全天平均值的演化。（图片来源：Pritchard & Loeb 2012）
但现实情况是，信号对温度很敏感，一旦加热比较严重，那么信号就会很容易被埋葬到噪声中，致使我们很难测到信号。同时，暗物质的性质和宇宙黎明的加热过程同时影响信号，二者的效应难以区分。
因此，我们面对着双重的难题，一是弱信号如何提取的问题，二是暗物质效应与宇宙加热效应的简并问题。我们该如何来破解这些技术难题呢？
尺度依赖：揭秘宇宙的“黑暗”与“光明”
显然，增加观测时间可以解决弱信号提取问题。如果对于明亮的高红移类星体，积分时间增加到1000小时，那么即便如此弱的信号也是可能被提取出来的。但问题是，现实中根本不可能有任何射电望远镜会给一个这样的观测项目如此多的观测时间。因此这个办法根本行不通。
这也是为何21厘米森林方法被提出二十年来还没有被付诸实施的主要原因。它太难测了。即便有诸多优点和不可替代性，21厘米森林也是一个非常冷门的宇宙学探针。
最近，东北大学和国家天文台的联合研究组在《自然-天文》发表了一项重要成果（Y. Shao et al., Nature Astronomy 2023），解决了21厘米森林面对的难题，使得这项观测有潜力同时测量暗物质粒子质量和宇宙的加热历史，从而帮助阐明暗物质的本质和宇宙第一批星系的性质。
这项研究的关键点是提出了一个新颖的统计解决方案，通过测量21厘米森林的一维功率谱来同时解决弱信号提取问题和打破简并问题。
在频率空间中，宇宙加热很容易就使信号幅度降低从而被埋葬到噪声中而难以探测。但是，我们注意到，信号和噪声的尺度依赖性是完全不同的。噪声在不同尺度上没什么差别，而信号代表着不同尺度的结团情况，很显然是非常不同的。因此，如果实施统计分析，把时间频率测量转换为空间频率测量，那么在新的空间中信噪比即可显著提升，而信号的统计特征也可随之浮现出来。特别是，暗物质效应和宇宙加热效应对21厘米信号统计特征的影响是完全不同的，那么就可以通过该分析同时测量这两种效应。
模拟得到的21厘米森林一维功率谱。通过一维功率谱测量，可以显著提高探测的灵敏度。通过一维功率谱的幅度和形状，将可以同时对温暗物质和宇宙加热效应进行测量。（图片来源：Shao et al. 2023）
通过高动态范围的跨尺度建模可以模拟21厘米森林的观测，从而可以进一步利用模拟数据开展贴近实际观测的数据分析研究。假设一个合理的观测时间，比如100小时。将观测时间分成两半，两次测量的结果做交叉相关。对于信号来说，这等价于自相关测量；而对于噪声来说，交叉相关将有助于噪声的抑制。因此，一维交叉功率谱测量将极大地提升探测的灵敏度。
模拟测量的结果表明，通过一维功率谱的幅度和形状，将可以同时对温暗物质和宇宙加热效应进行测量。在宇宙加热程度不高的情况下，第一阶段的SKA低频阵将可以很好地测量到一维功率谱，而且将有能力探测至较小的尺度；在宇宙加热程度较高的情况下，如果有多个背景射电源可用，则用第二阶段的SKA低频阵仍可实现较好的探测。
21厘米森林一维功率谱对温暗物质粒子质量和星系际介质温度限制示例。左图为低温情形，假设星系际介质温度为60开尔文。右图为高温情形，假设星系际介质温度为600开尔文。（图片来源：Shao et al. 2023）
该项研究清晰地展示了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针，为揭开暗物质和第一代星系之谜提供了一种极有前景的新途径。
期待大型射电望远镜
测量21厘米森林的一维功率谱不仅可提高灵敏度从而使探测成为可能，还提供了区分暗物质效应和早期宇宙加热效应的方法。对于暗物质粒子质量的限制，21厘米森林在高红移处提供了一种可行的探测手段，探索了其他观测无法触及的尺度和红移范围。通过测量宇宙加热水平，21厘米森林提供了限制第一批星系和第一批黑洞特性的方法，从而帮助揭示宇宙中第一批发光天体的性质。21厘米森林为推进我们对早期宇宙的理解并窥探暗物质和第一批星系的奥秘提供了一种不可或缺的途径。
21厘米森林探测的实现与高红移背景射电源的观测密切相关。因此，下一步是继续发展和建设大型射电望远镜（如SKA），以提供足够的灵敏度和角分辨率来观测高红移的射电亮源。
SKA低频阵列示意图。（图片来源：SKAO）
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，将进一步推动我们对暗物质的理解，揭示宇宙天体和结构形成及演化的过程。通过更深入的观测和分析，我们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，进一步拓展我们对宇宙的认知。
论文信息：Shao, Y., Xu, Y., Wang, Y. et al. The 21-cm forest as a simultaneous probe of dark matter and cosmic heating history. Nat Astron 7, 1116–1126 (2023). https://doi.org/10.1038/s41550-023-02024-7
作者：徐怡冬 张鑫
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