作者:麻省理工学院的玛丽亚·罗斯
2016年早期施工期间，南非卡鲁沙漠的赫拉无线电干涉阵列的一部分，与现场工作人员按比例拍摄
信用:凯瑟琳罗西 纵观历史，人类创造并分享了思考恒星诞生的故事——它们是什么以及第一批恒星是如何诞生的
现在，随着位于南非卡鲁天文保护区的射电望远镜“氢纪元再电离阵列”(HERA)的新结果，麻省理工学院的科学家们离了解那段历史又近了一小步，但意义重大
HERA的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，包括杰奎琳·休伊特在内的科学家
麻省理工学院的斯特拉顿物理学教授正试图了解发生在宇宙大爆炸后大约4亿年的宇宙黎明时期发生了什么
2021年初秋，休伊特、麻省理工学院卡弗利天体物理和空间研究所帕帕拉多物理研究员尼古拉斯·科恩和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，这些结果是在望远镜建造的第一阶段，历时四年收集和分析的
他们的研究发表在2月16日
7在《天体物理学杂志》上，提出了宇宙氢无线电信号的新上限，这表明早期恒星的形成，并让科学家更清楚地了解第一批恒星和星系是何时形成的
这些发现缩小了假设宇宙黎明起源的理论模型的范围
赫拉的发现之所以如此重要，部分是因为它们是在赫拉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，目前只有其最终尺寸的一小部分——数据是从HERA部署的52根天线中的39根收集的
完整形态下，总共有350根天线
一旦完全建成，HERA将足够敏感，能够从更远的地方收集更大的数据集和信息，从而更早地回到过去
该论文的主要作者克恩说:“我们还没有完全做到我们能做的。”
“这个结果证明了望远镜是一个整体
这是数据分析的第一步，如果你愿意的话，这是一个框架，一个基石，为未来所有的分析做准备
" 寻找信号 为了回顾宇宙黎明，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，而星系只占太空中可观测物质的5%
另外95%的物质是星系之间的物质，包括低密度氢
有了HERA，科学家可以观察星系之间发生的事情，并利用这些信息来推断我们无法观察到的星系在做什么，以及星系的形成如何影响周围的空间
为了了解宇宙历史上的这个时期，科学家们正在寻找“自旋翻转信号”，也称为21厘米线，这是中性氢气的波长
这种无线电信号来自星系之间的星系间物质，是由这种跃迁释放的氢原子的发射和/或吸收产生的
“我们用HERA研究的是:在这个时代，自旋翻转信号是什么样的？”赫拉项目的首席理论家、加州大学洛杉矶分校物理学和天文学副教授史蒂夫·芙兰内托说
他说，确定再电离的时代，或者观察到信号的时间，才是重要的
“我们想知道(信号)是在吸收中，这意味着它在X射线之前，还是在发射中，它在X射线之后
然后我们想看看它是否会因为再电离而消失
" 信号有两个可以捕捉的特征或过程
当恒星加热氢气时，信号首先被改变
第二部分，也是HERA一直在寻找的，是21厘米信号的消失，这发生在氢被额外恒星形成产生的能量电离时
这个信号表明恒星已经被创造出来了
距离宇宙黎明21厘米的线还没有被明确探测到
然而，来自HERA的新结果提供了关于宇宙5亿年前自旋翻转信号性质的数据——比以前的结果敏感10倍
第一眼 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的理论
最值得注意的是，数据显示，一定有某种机制在加热太空中的氢，这意味着星系中一定有黑洞
弗纳莱托说:“如果你有没有黑洞的星系，那基本上是可以排除的。”
“必须有加热，在这些模型的背景下，这意味着必须有黑洞，在黑洞附近产生X射线
" 在戈登和贝蒂·摩尔基金会和国家科学基金会的资助下，赫拉将在350个天线上运行，并采用新的天线设计，使望远镜能够捕捉较低频率的无线电波，并观察更高的红移点，有效地看到更远的过去
休伊特是扩大HERA信号能力的项目负责人，自2004年以来，他一直在研究最早的恒星是何时形成的问题
她领导了新低频组件的原型制作，并正在开发更多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将于2022年初安装，并将大幅增加他们能够获得的信息范围
休伊特说:“这种向更低频率的扩展非常重要，因为它让我们在第一批恒星出现之前就进入了这个时期。”他解释说，范围的扩大将有助于他们更多地了解宇宙历史的早期阶段
“它的工作原理太神奇了
你会有点厌倦，但有时我会停下来想，‘我在制造一种可以追溯到130亿年前的仪器’，你知道吗？”休伊特说
“我们真的可以做到这一点，这有点令人惊讶
"
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