坐着过山车改稿 审稿的过程，探寻中国就像坐过山车一样。

此前，式现代化背景干扰就曾盖过了黑洞信号，王伟只好向FAST申请补偿观测。论文第一作者、丨令团队成员2023届博士毕业生田鹏夫告诉《中国科学报》。

看到这一不寻常现象，人心动故事中的主角为之兴奋、诧异、震惊。其中一名同学3年发了3篇，小鹿乱撞平均一年1篇。但是，探寻中国由于如此高精度的黑洞闪烁研究前所未有，即便有老师指导，也需要他自己摸索着前进。2021年，式现代化该团队在一堆数据中发现了一个不一样的信号。同年暑期，丨令一名学生加入王伟团队攻读博士学位，开始参与处理这些已积累几个月的观测数据。

经过多次观测，人心动该团队在2021年1月和2022年6月两次发现黑洞存在暂现的亚秒级射电准周期振荡现象。到了办公室，小鹿乱撞我能听到王老师在说话，至于他说的是什么意思，我根本反应不过来。探寻中国那用什么来进行探测呢？氢原子的21厘米谱线几乎是目前已知的唯一的直接探测手段。

式现代化正在建设中的平方公里阵列射电望远镜（SKA）也准备以这样的方式开始对宇宙黎明和宇宙再电离进行探测。假设一个合理的观测时间，丨令例如100小时，将观测时间分成两半，两次测量的结果做交叉相关。其次，人心动由于其在静止系波长（或频率）是固定的，人心动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。宇宙在婴儿时期非常炽热，小鹿乱撞各种粒子频繁碰撞，处于热浴之中。

在现代宇宙中，星系中的中性氢仍在不断地辐射21厘米谱线信号。宇宙在年龄为38万年的时候，进入了黑暗时代。

再次，理论上可以利用21厘米谱线对CMB形成以后的整个宇宙演化历史进行探索。在宇宙再电离时期，气体被加热，氢原子会发射21厘米信号。黑暗时代持续了大约一亿年左右。利用21厘米谱线观测，或许还可以帮助回答暗物质是冷还是温这一关键问题。

当背景源为射电噪类星体、伽马射线暴的射电余晖等高红移射电亮的点源时，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，这些森林状的吸收线被形象地称为21厘米森林。随着星系以及星系中的恒星和黑洞形成，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。但暗物质到底是冷还是温？要想弄清楚这一点，关键是要精确测量宇宙小尺度上的结构，可这是极其困难的。目前只有少数几种观测方法——如强引力透镜观测、赖曼—阿尔法森林观测、银河系卫星星系观测等，不过这些方法也都有局限性，目前尚不能从根本上解答问题。

它对于小暗晕的尺度很敏感，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。暗物质的本质，是当前基础科学中最重大的科学问题之一。

更棘手的是，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。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。

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。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。该如何来破解这些技术难题呢？有科学家提出用增加观测时间的方法来解决弱信号提取问题。因此，我们需要用低频射电天线来接收这些信号。如果21厘米森林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。不过，还有一种有趣的探测方法——21厘米森林观测。

这一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，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，进一步拓展对宇宙的认知。（作者：徐怡冬 张鑫，分别系中国科学院国家天文台副研究员、东北大学教授） （原标题：刺探宇宙最初10亿年） 特别声明：本文转载仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性。

但冷暗物质模型却无法很好地解释一些星系尺度上的问题——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。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，而且有能力探测至较小的尺度。

最初10亿年，宇宙如何从黑暗走向光明 宇宙如何从黑暗走向光明？这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。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。

最终，在宇宙年龄接近10亿年的时候，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，帮助推进我们对早期宇宙的理解，并为窥探暗物质和第一代星系的奥秘提供了极有前景的新途径。暗物质是冷还是温？宇宙小尺度测量是关键 宇宙的第一代星系在暗物质晕中形成。特别是暗物质效应和宇宙加热效应对21厘米森林统计特征的影响是完全不同的，如此一来，就可以通过该分析同时测量这两种效应。

因此，如果以CMB光子为背景光源，我们就可以对这些21厘米谱线的信号进行探测。如果其运动速度接近光速，就是热暗物质模型。

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。面对这样的情况，温暗物质模型应运而生。

实际上，宇宙早期的加热历史也是天体物理和宇宙学中一个基本且未解决的问题，它与第一代星系的形成有直接的联系。宇宙黎明开始了，星系的光开始照亮宇宙。

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，而且得到了一些初步的观测数据。由于运动速度快得多，相比于冷暗物质模型，温暗物质模型可以在一定程度上抹平一些小尺度结构，从而弥补冷暗物质模型的不足。但是，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，二者区别明显。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——信号对温度很敏感，一旦加热比较严重，信号就会很容易被埋葬到噪声中，以致于很难测到。

我们借助高动态范围的跨尺度建模，模拟了21厘米森林的观测，从而进一步利用模拟数据开展贴近实际观测的数据分析研究。这是因为，对于明亮的高红移类星体，观测时间增加到1000小时，非常弱的信号也有可能被提取出来。

作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜，请与我们接洽与此同时，21厘米森林信号随气体温度升高而减弱。

然而，由于宇宙的最初演化阶段是一片黑暗的，要想探测到这个时期的情况无比困难，现有的光学和红外望远镜都无能为力。正在建设中的平方公里阵列射电望远镜（SKA）也准备以这样的方式开始对宇宙黎明和宇宙再电离进行探测。