人類離捕獲21釐米信號尚有幾許距離我們又能否聆聽宇宙初生的迴響

在浩瀚的宇宙中 我們習慣了用光年來丈量距離 可就在這片無痕的時空裡 有一個長度只有21釐米 卻藏著關於宇宙靈敏的終極祕密 這不是一個普通的數字 它乃至宇宙中最常見的元素 中性星 那道21釐米的微弱電波 就像是宇宙早期留下的一條肥身 它能告訴我們 第一批恆星是什麼時候點亮的 第一代星系的誕生 過去的一個世紀 科學家讓我們幾乎看透了宇宙 愛因斯坦用廣義相對論 勾勒出了時空的彎曲 解釋了黑洞與銀粒波 量子力學讓我們體解了 恆星的誕生與死亡 我們甚至能夠精確到 幾個百分點的測量出宇宙的膨脹 組成和年齡 138億年的歷史 被一點一點地重建出來 但就在這條時間長河的最深處 仍然有一片無人踏足的黑暗 而那道21釐米的信號 或許正是打開這段宇宙裏面的唯一鑰匙 儘管我們已經建立了極為精確的宇宙模型 但宇宙中仍然隱藏著許多未解之謎 例如 主導星系運動的暗物質究竟是什麼 又是什麼神祕力量 比如暗能量 在推動宇宙加速膨脹 儘管我們還沒有揭開它們的真實本質 但科學家已經能以極高的精度觀察 並測量它們在宇宙大尺度結構上的影響 這種高精度的觀測能力的出現 很大程度上得益於我們對宇宙古老光線 宇宙微波背景輻射的深入研究 它是大爆炸後大約38萬年後產生的魚飛 那時的宇宙炙熱、炙密 充滿了電子和質子構成的電體物 隨著宇宙的膨脹與冷卻 電子與質子集合成了氫原子 宇宙從不透明變得透明 光線終於可以自由地傳播 這些光線穿越了138億年的時空 如今以微弱的微波形式從四面八方向我們灑來 構成了一幅宇宙依賴時期的二維圖像 無論宇宙微波背景輻射中的溫度漲落 還是星系在大尺度下的分佈 都揭示了宇宙的組成和演化規律 成為現代宇宙學的基石 然而,當宇宙微波背景輻射的光飛逐漸消散之後 宇宙陷入了漫長的黑暗 那個時候還沒有恆星發光 這段時期被稱為宇宙的黑暗時代 直到中性氫在引力的作用下聚集 第一批恆星成功地點亮 宇宙的提名才終於到來 體內模型與計算機模擬表明 第一代恆星的誕生大約發生在大爆炸後 大約數千萬年到一億年之間 在那之前,唯一可能存在的發光天理 就是原始黑洞 它們本身不發光 卻被高溫的吸積氣體所包裹 感受著微弱的高能輻射 雖然這些早期世界的確切時間仍然不是很確定 但可以肯定的是 第一代恆星與星系的出現 開啟了宇宙歷史上又一場史詩級的革命 雖然光重新點亮了宇宙 但大量殘餘的中性氫雲依然阻擋了光的傳播 隨著第一代恆星與星系的誕生 它們釋放出強烈的紫外線和X射線輻射 逐漸電體周圍的氣體 氫原子被暫時分解為電子和質子 宇宙進入了再電體時代 這個時候物質重新變為再電的整體質體 一種在大爆炸後大約50萬年時短暫存在過的狀態 不過經歷數億年的時間膨脹後 宇宙已經變得極為稀薄 對光線幾乎完全透明 而那些驅動再電體的早期恆星、星系和黑洞 它們的性質至今仍然籠罩在迷霧之中 由於這些天體具體極其遙遠 亮度也很低 現在望遠鏡很難直接觀測 但這一切正在改變 詹姆斯韋伯太空望遠鏡的出現 讓人類得以窺見這前所未見的深空 捕捉到宇宙誕生僅3.3億年後的星系 那是宇宙年齡的大約2.4% 通過觀測和模擬 我們發現早期宇宙與今天截然不同 那個時候的空間更稠密 但恆星形成區域分佈稀疏 星系更緊湊 第一代恆星幾乎完全由氫和氦組成 沒有較重的元素 這些重元素正是由它們在覈聚變和爆炸中創造出來的 由於缺乏金屬元素的冷卻作用 第一代恆星的質量往往比今天的恆星要大得多 當它們生命終結的時候 會以超越常規超新星的巨大能量爆發 將重元素散播到宇宙 為後來的恆星與新星奠定了化學基礎 然而,哪怕是微波空間望遠鏡 也不能直接觀測到第一代恆星的光 它所能看到的 僅是早期星系中少數明亮的成員 就算是未來建成的40米級地基望遠鏡 以它們的觀測能力 恐怕也不能回到那個原初提名 於是,科學家另闢蹊徑 他們找到了一種不依賴光 而是聆聽宇宙的方法 利用超提名的射電望遠鏡 尋找原始氫原子留下的信號 這種方法是利用氫原子的自旋翻越圈 當電子與質子的自旋方向由平行變為反平行的時候 會釋放出一個頻率在1.42幾赫茲 波長為21釐米的光子 這就是著名的21釐米信號 這種信號會因為氫原子的溫度的不同而呈現出強酸形式 如果氣體比宇宙微波背景更冷 它會吸收21釐米的光子 如果更熱,則會散發出21釐米的光子 這些微弱的擾動 為我們提供了一種全新的方式 去探索宇宙提名與載電體時期的原始氣體分佈 同時,恆星與黑洞的直外線X線輻射 會改變氫原子的溫度與自旋狀態 從而在21釐米信號中留下複雜的空間紋理 這些紋理記錄了早期宇宙的能量注入 氣體加熱與結構形成過程 成為追蹤宇宙演化的強大工具 第一代恆星會在其周圍形成半徑 而黑洞襲擊盤釋放的高能X射線 會加熱周圍的氣體 兩者都在21釐米信號中留下了個辨識的印記 然而隨著電體的深入,中性氫逐漸消失 21釐米信號也被強烈的星系輻射所淹沒 只有少數密集的氣體孤島 那些星系內部的中性氫庇護區 仍然保留著這一信號的痕跡 但問題是,我們真的能探測到這些信號嗎? 如果在實驗室中放置一團與宇宙密度相當的稀薄氫氣雲 它幾乎不會發出任何可探測的信號 因為單個晶圓只完成一次自旋轉月圈 需要大約一千萬年 幸運的是,宇宙的歷史足夠漫長 億萬個氫原子共同發出的信號最終變得可以測量 但想要探測更遙遠的提名信號就變得困難得多 由於宇宙的膨脹 這些光子的波長被拉伸到數筆琴 與地球的F們廣播頻段重疊 換句話說,當你在收聽電臺音樂的時候 也可能正蓋過來自宇宙提名的微弱地域 即便排成了人造的幹擾 21釐米信號依然被強烈的天體射電噪聲所覆蓋 它們的亮度比目標信號高出十萬倍 要在這樣的噪聲中提取微弱的信號 難度就像在風暴中分辨一個人微弱的呼吸 科學家正藉助複雜的算法和機器學習技術 努力從數據中過濾出那道宇宙提名的飛聲 目前,人類主要有兩種方法探測21釐米信號 一種是全天總功率測量 通過單個天線捕捉整個天空的平均信號 2018年,澳大利亞天文學家 首次探測到來自大爆炸後1.81年的21釐米吸收信號 但結果比提論預測更深 這意味著要麼氣體溫度比預期的更低 要麼背景輻射比CMAP更強 甚至可能暗示暗物質與普通物質間存在著未知的相互作用 另一種方法是使用干涉列陣 通過多天線組合成虛擬望遠鏡 測量不同方向上的信號差異 揭示宇宙提名時期的空間結構 這些項目正在持續累積的數據 為我們繪製了早期宇宙的結構藍圖 最令人期待的是位於澳大利亞和南非的平方千米陣列 它的提名度和分辨率將遠超現在的設備 可以在多個紅衣範圍內繪製出宇宙提名時期的中性氫的三維分佈圖 就像為宇宙做斷層掃瞄 而在更遙遠的未來 人類或許將目光投向月球的背面 那是太陽系最安靜的無線電環境 沒有地球的廣播幹擾 在那裡建造射電陣列 可能成為21釐米宇宙學的終極前沿 讓我們真正能夠聽到宇宙提名的第一聲飛響 宇宙的故事開始於138億年前的大爆炸 在最初的38萬年裡 宇宙的溫度極高 物質以等體質的形式存在 電子和質子無法結合 光子不斷被閃射 整個宇宙在一片炙熱與紛爭中 隨著宇宙的膨脹與冷卻 溫度降到了3000凱爾文左右 質子和電子終於可以結合成中性氫原子 這一時刻被稱為複合時代 從那一刻起 光子得以自由地傳播 留下了我們今天依然能夠探測到的宇宙微波背景輻射 那就是宇宙誕生的魚飛 然而在複合時代之後 宇宙陷入了漫長的黑暗時代 那時候沒有恆星也沒有星系 只有彌散的中性氫系裡 在引力的牽引下緩慢聚集 整個宇宙彷彿發作一個巨大的暗室 等待著地獄女光的到來 直到大爆炸後大約8-11年後 引力終於將氫氣聚集到足夠高的密度 點燃了宇宙的第一批恆星 天文學家稱它們為第三星族 這些恆星的體積廣大 溫度極高 壽命很短 卻在短短的時間內釋放出了強烈的紫外輻射 遍體了周圍的中性氫 與此同時 第一批黑洞也在原始星系的核心形成 它們在吞噬物質的時候釋放出高能X射線 能夠穿透極遠的空間 進一步加熱並電停了氫氣 就這樣 宇宙從一片均勻的中性氫海洋 逐漸演變成了電體氣泡與中性氫島嶼交織的複雜結構 這一歷時數億年的過程被稱為再電體時代 中性氫原子有一個奇特的量子特性 這就是上面抵達的21釐米的信號 它就像一個跨越了億萬年的宇宙錄音機 更令人驚嘆的是 由於宇宙在不斷膨脹 這個信號會發生紅移 一旦人類真的捕獲了21釐米信號 人類將開啟全新的研究領域 21釐米宇宙學 那個時候 我們將能廢置宇宙的再電體三維地圖 看到電體氣泡是如何生長、合併 人類將可以追蹤第一批恆星和星系的誕生 甚至通過信號的變化測量宇宙的膨脹率和暗物質的分佈 這將是繼宇宙微波背景輻射之後 人類獲取了第二張早期的宇宙的全景快照 正如卡爾·薩根所說的 我們都是星塵 而那道21釐米的信號 正是星塵初次誕生留下的微弱肥身 在這片浩瀚的宇宙中 距離動輒以光年計 我們或許短時間內無法與外星文明相遇 但我們依然可以去傾聽它們的聲音 通過它們可以主動發出的穿越星際的電子信號 電子波 是幾家的精心載體 正因為有了它 人類纔有了無線通信、廣播、衛星和互聯網 因此科學家推測 如果外星文明真的向宇宙發出友好的信號 那麼這種信號很有可能是電子波 然而 由於技術的限制 我們還無法探測所有頻段的電子波 那究竟應該從哪一種入手? 幾十年來 科學家用各種的射電望遠鏡 不斷地掃描來自宇宙深處的信號 試圖從耗如煙海的電子噪聲中 找到那屬於智慧生命的痕跡 不過 這也只是人類的一種假設 我們尋找外星文明的方式 實際上是基於我們自己的科技邏輯 或許外星文明並不使用電子波通信 而是採用我們無法理解的方式 例如引力波、中微子流 甚至更高維度的信息傳遞 事實似乎也印證了這一可能性 在過去的幾十年裡 儘管我們傾聽了無數的信號 卻仍然沒有收到任何被確認的外星文明信息 但這並不意味著宇宙沉沒 也許 只是我們還沒有聊到那個正確的頻道 在宇宙的寂靜深處 那道被拉伸到數米長的微弱波紋 正跨越著百億年的時光 低聲述說著最初的故事 它不是星光 不是可見的光飛 而是更古老、更原始的飛翔 來自宇宙尚未點亮的黑暗黎明 也許 我們無法用眼睛看到它 但我們可以用思維去傾聽它 每一次信號的捕捉 都是一次與宇宙歷史的對話 當我們終有一天 真正聽到那段21釐米的低語 人類將不只是看見宇宙的圖景 而是聽見宇宙誕生的聲音 那個時候 我們將第一次真正理解 什麼叫做宇宙從沉默中誕生