HERA望远镜早期研究结果预示着对“宇宙黎明”的更深了解

现在，随着位于南非卡鲁天文保护区的射电望远镜--氢化纪元阵列（HERA）的新结果，麻省理工学院的科学家们离了解这一历史又近了一小步，但意义重大。

HERA研究人员正在寻找恒星形成和星系结构的最早迹象。具体来说，包括麻省理工学院Julius A. Stratton物理学教授Jacqueline Hewitt在内的科学家们正试图了解在大爆炸后约4亿年发生的被称为宇宙黎明的时期发生了什么。2021年初秋，休伊特、麻省理工学院卡夫里天体物理学和空间研究所的帕帕拉多物理学研究员尼古拉斯·克恩以及其他来自国际合作的研究人员最终确定了期待已久的结果，这些结果是在 HERA望远镜建造的第一阶段收集和分析的，为期四年。

他们的研究报告于2022年2月7日发表在《天体物理学杂志》上，对来自宇宙氢气的无线电信号提出了新的上限，这表明早期恒星的形成，并使科学家对第一批恒星和星系的形成时间有了更清晰的认识。这些发现缩小了对宇宙黎明的起源进行假设的理论模型。

HERA的发现之所以如此重要，部分是因为它们是在HERA发展的早期阶段收集的。该望远镜作为一个无线电天线阵列运行，目前仅有其最终规模的一小部分--这些数据是从HERA的52个部署的天线中的39个收集的。在其完整的形式下，总共将有350个天线。一旦完全建成，HERA将足够敏感，可以从更远的地方收集更大的数据集和信息，从而进一步追溯到过去。

为了回顾宇宙的黎明，HERA使用低频无线电波来识别不容易观察到的信号。这与其他望远镜不同，比如哈勃太空望远镜，它观察的是像星系这样的结构，而这些结构只占太空中可观测物质的5%。其他95%的物质是星系之间的物质，包括低密度的氢。通过HERA，科学家们可以观察星系之间的情况，并利用这些信息来推断我们无法观察到的星系正在做什么，以及星系的形成如何影响它周围的空间。

HERA合作项目的成员在一次科学会议上。HERA团队由来自美国、加拿大、欧洲和南非的机构组成。

为了了解宇宙历史上的这段时期，科学家们正在寻找"自旋翻转信号"，也被称为21厘米线，它是中性氢气的波长。这种无线电信号来自星系之间的星际物质，是由氢原子通过这种转变发出的发射和/或吸收产生的。

确定"重振纪元"，或观察到信号的时间，才是重要的事情。天文学家想知道[信号]是在吸收中，这意味着它在X射线之前，还是在发射中，也就是在X射线之后，并且想看看它是否因为重离子化而消失。

该信号有两个特征，或过程，可以被捕获。当恒星加热氢气时，该信号首先被改变。第二部分，也就是HERA迄今为止一直在寻找的，是21厘米信号的消失，这发生在氢气被额外的恒星形成产生的能量电离的时候。这个信号表明恒星已经被创造出来。

来自宇宙黎明的21厘米线还没有被明确地探测到。然而，来自HERA的新结果提供了关于宇宙5亿年时自旋翻转信号的性质的数据--比以前的结果要敏感10倍。

有了这些结果，HERA团队已经能够提供证据，排除关于星系形成的几种可能理论。最值得注意的是，这些数据显示，一定有某种机制来加热空间中的氢气，这意味着星系一定有黑洞。

在戈登和贝蒂-摩尔基金会以及美国国家科学基金会的资助下，HERA将在350个天线下运行，并采用新的天线设计，使望远镜能够捕捉更低频率的无线电波和更高红移的观测点，有效地看到更远的时间。

Hewitt是扩大HERA信号容量的项目负责人，自2004年以来一直在研究最早的恒星何时形成的问题。她领导了新的低频组件的原型设计，并正在开发更多的技术来分析当前和未来的数据集。来自剑桥大学的新天线设计，应该在2022年初安装，并将极大地增加他们能够获得的信息范围。

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