大約120億年前，隨著第一批恒星和星系的出現(xiàn)，宇宙從一個巨大的宇宙黑暗時代出現(xiàn)。通過對Murchison寬場陣列(MWA)射電望遠鏡收集的數(shù)據(jù)進行的新分析，科學家現(xiàn)在比以往任何時候都更能夠檢測到宇宙歷史中這一轉(zhuǎn)折點的超微弱特征。

在對預印本網(wǎng)站紙的arXiv和即將在該公布天體物理學雜志，研究者呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的第一分析從MWA的新配置專門設計用來尋找中性氫的信號，該氣體期間占主導地位的宇宙宇宙的黑暗時代。該分析為中性氫信號的強度設置了新的極限(迄今為止的最低極限)。

布朗大學物理學助理教授，《自然》雜志的通訊作者喬納森·波伯說：“我們可以自信地說，如果中性氫信號強于我們在論文中設定的極限，那么望遠鏡將能夠探測到它。”新文章。“這些發(fā)現(xiàn)可以幫助我們進一步限制宇宙暗齡結束和第一批恒星出現(xiàn)的時間。”

這項研究由李文陽領導，他擔任博士學位。布朗的學生。Li和Pober與MWA合作的國際研究人員小組合作。

盡管它在宇宙歷史中很重要，但對于第一顆恒星形成的時期(即所謂的電離時代(EoR))知之甚少。大爆炸之后形成的第一個原子是帶正電的氫離子，這些原子的電子被嬰兒宇宙的能量剝離。隨著宇宙的冷卻和膨脹，氫原子與電子重新結合形成中性氫。直到大約120億年前，當原子開始聚集在一起形成恒星和星系時，這幾乎就是宇宙中的全部。這些物體發(fā)出的光使中性氫重新電離，使其從星際空間中大量消失。

像MWA那樣發(fā)生的項目的目標是找到來自黑暗時代的中性氫信號，并測量其隨著EoR的展開而發(fā)生的變化。這樣做可以揭示有關第一批恒星的新的重要信息，即我們今天所看到的宇宙的組成部分。但是，要想一窺這個擁有120億年歷史的信號，是一項艱巨的任務，需要靈敏的儀器。

MWA于2013年開始運營時，是在整個西澳大利亞偏遠鄉(xiāng)村中排列的2048條無線電天線陣列。天線被捆扎成128個“平鋪”，其信號由稱為“相關器”的超級計算機合并。2016年，瓷磚的數(shù)量增加了一倍，達到256個，并且改變了它們在整個景觀中的配置，以提高其對中性氫信號的敏感性。這份新論文是對擴展數(shù)組中的數(shù)據(jù)的首次分析。

中性氫發(fā)出的輻射波長為21厘米。在過去的120億年中，隨著宇宙的膨脹，來自EoR的信號現(xiàn)在已延伸至約2米，這正是MWA天文學家所追求的。問題在于還有許多其他的光源以相同的波長發(fā)出信號，例如數(shù)字電視等人造光源，以及銀河系和數(shù)百萬其他星系中的天然光源。

鮑伯說：“所有其他來源的信號強度都比我們試圖檢測的信號強許多數(shù)量級。”“即使飛機上反射的調(diào)頻無線電信號恰好從望遠鏡上方通過，也足以污染數(shù)據(jù)。”

為了了解信號，研究人員使用了多種處理技術來清除那些污染物。同時，它們說明了望遠鏡本身獨特的頻率響應。

鮑伯說：“如果我們觀察不同的無線電頻率或波長，望遠鏡的行為會有所不同。”“對望遠鏡的響應進行校正對于隨后分離天體污染物和目標信號至關重要。”

這些數(shù)據(jù)分析技術與望遠鏡本身的擴展能力相結合，導致EoR信號強度達到新的上限。這是MWA連續(xù)第二次發(fā)布最新的最佳限值分析，這使該實驗有望有一天能夠檢測到難以捉摸的EoR信號。

Pober說：“該分析表明，第二階段升級具有很多預期的效果，并且新的分析技術將改善未來的分析。”“ MWA現(xiàn)在已經(jīng)背對背發(fā)布了信號的兩個最佳限制，這一事實使這一實驗及其方法具有很大的前景。”