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中國天文學探測新方法
可同時揭秘宇宙第一代星系和暗物質的性質
【本報綜合外電報導】中國科學院國家天文臺7日向媒體發布消息說，中國天文學家最新研究提出“一箭雙雕”的新方法——利用宇宙黎明時期被形象稱為“21厘米森林”信號的一維功率譜測量，未來的平方公里陣列射電望遠鏡(SKA)將能夠同時揭秘宇宙第一代星系和暗物質的性質。
研究團隊介紹說，中性氫的21厘米譜線為宇宙黎明與第一代星系提供了獨一無二的探測手段，利用21厘米譜線探測宇宙黎明與再電離也是SKA最重要的科學目標之一。
中性氫的21厘米信號有多種觀測模式，常見的觀測模式是以宇宙微波背景輻射為背景源的21厘米信號測量，同時，宇宙早期各種結構及其周圍的氫原子氣體會在高紅移射電點源的光譜上產生密集的21厘米吸收線，這些吸收線叢被形象稱為“21厘米森林”，由於其信號微弱，且依賴於宇宙黎明時期的射電亮源的獲取，多年來“21厘米森林”探測面臨極大挑戰。
另一方面，“21厘米森林”信號同時受到第一代星系加熱效應和暗物質性質的影響，觀測上很難區分這兩種效應，使得“21厘米森林”信號探測在提出以來的20多年中，難以實際用於限制第一代星系的熱效應或暗物質的性質。
研究團隊表示，他們此次對過去鮮有論及的“21厘米森林”探針開展深入研究，並提出一種原創性的統計測量方案，使之不僅能夠限制宇宙第一代星系的性質，還可以同時測量暗物質粒子的質量。
模擬研究結果顯示，一維交叉功率譜測量顯著提高了觀測的靈敏度，同時，一維功率譜的幅度和形狀特征使得信號的尺度依賴性被顯現出來，這使得“21厘米森林”觀測變得切實可行，且能夠同時測量暗物質粒子質量和宇宙黎明時期的熱歷史。
因此，“21厘米森林”的一維功率譜確實可以成為“一箭雙雕”的宇宙學探針，為揭開暗物質和第一代星系之謎提供一種極有前景的新途徑。
↑圖說：“21厘米森林”信號天文觀測藝術想像圖(供圖)
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2023, 7. 7 
