宇宙中第一代星系是如何形成的？它们如何照亮黑暗时代并迎来宇宙黎明？这些问题一直是天文学领域致力于解答的重大科学难题。北京时间2023年7月7日凌晨，国际学术期刊《自然·天文》在线发表了中国科学院国家天文台和东北大学合作研究的一项重大成果。研究人员发现，利用宇宙黎明时期“21厘米森林”信号的一维功率谱，未来的平方公里阵列射电望远镜将能同时揭秘宇宙第一代星系和暗物质的性质。
　　中性氢的21厘米谱线为宇宙黎明与第一代星系提供了独一无二的探测手段，常见的观测模式是以宇宙微波背景辐射为背景源的21厘米信号测量。宇宙早期各种结构及其周围的氢原子气体会在高红移射电点源的光谱上产生密集的21厘米吸收线，这些吸收线丛被形象地称为“21厘米森林”。由于信号微弱，且依赖于宇宙黎明时期的射电亮源的获取，多年来“21厘米森林”探测面临极大挑战。另一方面，“21厘米森林”信号同时受到第一代星系加热效应和暗物质性质的影响，观测上很难区分这两种效应，使得“21厘米森林”探测在提出后的二十多年中，难以实际用于限制第一代星系的热效应或暗物质的性质。
　　此项工作深入研究了过去鲜有论及的“21厘米森林”探针，并提出了一种原创性的统计测量方案，使之不仅能够限制宇宙第一代星系的性质，还可以同时测量暗物质粒子的质量。
　　利用21厘米谱线探测宇宙黎明是平方公里阵列射电望远镜最重要的科学目标之一，而且平方公里阵列射电望远镜也已进入工程建设阶段，开展“21厘米森林”观测迫在眉睫。模拟结果显示，“21厘米森林”的一维交叉功率谱测量显著提高了观测的灵敏度，同时，一维功率谱的幅度和形状特征使得信号的尺度依赖性被显现出来。这使得“21厘米森林”变得切实可行，且能够同时测量暗物质粒子质量和宇宙黎明时期的热历史。因此，“21厘米森林”的一维功率谱确实可以成为“一箭双雕”的宇宙学探针，为揭开暗物质和第一代星系之谜提供了一种极有前景的新途径。
　　《自然·天文》的编辑团队针对这项研究发表了评论：“我们宇宙的最远处总是极为神秘，由于被尘埃、吸收光的原子和中间介质中的气体阻挡而很难直接观测。这项研究将吸收转化为一种优势，利用它打破了其他方法所遭遇的不同效应的简并，并可用于阐明早期宇宙的结构形成。”
　　中科院国家天文台徐怡冬副研究员、陈学雷研究员和东北大学张鑫教授为论文共同通讯作者。
（文章来源：上观新闻）