南非射电望远镜探测到遥远宇宙氢信号，助力绘制宇宙大尺度结构

IT之家 9 月 7 日消息，天文学家借助 MeerKAT 射电望远镜，捕捉到了来自数十亿光年之外的氢气信号。这些信号所对应的时期，比宇宙目前约 138 亿年的年龄要年轻数十亿年。

这项进展或许能为天文学家提供一种描绘宇宙大尺度结构的新途径。该方法的原理在于，通过追踪氢元素在宇宙中的分布，进而勾勒出宇宙的整体轮廓。氢是宇宙中质量最轻、储量最丰富的元素，这一技术被称作“氢强度映射”。

中性氢会释放出一种极为微弱的射电信号，天文学界称之为“21 厘米谱线”。随着宇宙在暗能量驱动下持续膨胀，这类射电信号的波长也会被相应拉长，即所谓的“红移”现象。依据红移的程度，天文学家能够推算信号传播至地球所耗费的时间，从而判断发出该信号的氢气存在于宇宙演化的哪个阶段。

借助 21 厘米谱线，氢强度映射可以追踪那些以往难以直接观测到的星系所发出的射电信号，并构建出宇宙中最大尺度结构的三维图像。然而在此之前，这项技术通常需要将射电波探测结果与星系巡天项目的可见光观测数据相结合，也就是借助人眼可见的那部分电磁辐射来进行辅助分析。

而最新的研究则突破了这一惯例。研究团队仅依靠 MeerKAT 射电望远镜所接收到的无线电波，便成功绘制出氢气强度地图。MeerKAT 位于南非北开普省的梅尔卡特国家公园，由 64 面天线阵列构成。

研究团队的负责人 Sourabh Paul 在一份声明中指出：“这是一个令人倍感振奋的里程碑。长期以来，氢强度映射一直被视为一种高效绘制宇宙结构的潜在手段，但相关信号极其微弱，很难从前景辐射、人类活动造成的射频干扰以及仪器自身效应中分离出来。”

他补充道：“利用 MeerKAT 直接探测到这一信号，表明这项技术正逐步演变为一种真正可用于宇宙学研究的实用工具。”

该研究团队分析了约 96 小时的 MeerKAT 观测数据，从中发现了来自 40 亿至 50 亿年前的氢气信号。这些氢气散布在跨度达数百万光年的广阔空间内，其尺度与银河系和邻近的仙女座星系之间的距离相当。

这一成果意味着氢气映射技术的实际应用价值又向前推进了一步。

来自爱丁堡大学的研究人员、团队成员 Zhaoting Chen 在声明中表示：“中性氢是理解星系形成与演化的关键要素之一。借助强度映射，我们无需逐一探测单个星系，而是可以测量大范围宇宙空间中氢气所发出的整体信号。这为研究星系演化以及宇宙中物质的基础分布开辟了新的思路。”

未来的宇宙学巡天项目有望从氢气映射技术的进步中获益良多。尤其是在平方公里阵列天文台（SKAO）投入运行之后，这项技术或将发挥更为关键的作用。SKAO 目前正在澳大利亚西部的默奇森地区以及南非卡鲁地区进行建设。

英国曼彻斯特大学研究人员、团队成员 Laura Wolz 表示：“MeerKAT 正在不断为宇宙学开启新的视野。尤其令人鼓舞的是，我们能够从最初并非专为氢强度映射而设计的观测数据中提取出这一信号。这充分证明了 MeerKAT 数据所蕴含的巨大科研潜力，也为未来依托 SKAO 开展观测指明了方向。”

接下来，研究团队计划利用 MeerKAT 收集更多观测数据，覆盖更广的天空区域，并延长观测时长。这有望帮助天文学家绘制出更为精细的氢气分布图，并最终揭示宇宙中最大尺度结构在数十亿年间是如何逐步成形的。

团队成员、澳大利亚西开普大学研究人员 Mario G. Santos 表示：“这是一项极具挑战性的数据分析工作，我们必须深入理解各种可能干扰这种微弱测量的污染来源。”

他补充道：“尤其值得一提的是，本研究所用的数据采集于 2018 年，当时 MeerKAT 才刚刚开始投入科学观测。如今，仍有大量丰富的 MeerKAT 数据等待运用这种方法去发掘。”

IT之家注意到，该团队的研究成果已发表在 7 月出版的《天体物理学快报》上。