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本文作者：今日头条
据外媒报道，美国天文学家成功捕捉到了再电离时期的21厘米中性氢原子信号，探测到了宇宙的“第一缕曙光”。这意味着天文学对宇宙“黑暗时代”的研究，翻开了一个新的篇章。而他们发现信号中的异常之处，还可能有助于科学家分析暗物质的性质。
根据目前的宇宙演化理论，经过了数亿年后，在引力的作用下，暗物质和普通物质聚集起来，形成了星系和恒星，第一代恒星发出的辐射让黑暗的宇宙迎来了黎明，同时辐射中的紫外线也逐渐让周围气体中的氢原子重新电离，因此天文学家也把这个阶段称作“再电离”。
幸运的是，即使是非常冷的氢原子，也能发出一种特殊的辐射。氢原子是由一个氢原子核（质子）和一个电子组成的，原子核和电子的自旋方向可能相同或相反，而在这两种状况下，原子的能量存在微小的差异。如果电子本来与原子核自旋方向相同，在自旋翻转，变得与原子核的方向相反时，原子的能量降低，就会发出波长为21厘米的辐射。反之，低能状态的氢原子也可以吸收21厘米波长的光子，翻转电子的自旋方向。
但随着宇宙膨胀，氢原子本身也变得过于稀疏，很难通过碰撞让电子自旋翻转，微波背景辐射光子决定了自旋状态，自旋温度和动力学温度脱节，开始跟辐射温度保持一致。此时氢原子整体上既不吸收21厘米辐射，也不会发出21厘米辐射。
随着宇宙的膨胀，曾经波长为21厘米的信号，抵达地球的时候已经发生了变化，波长被拉长了很多。比如，黑暗时代刚开始时发出21厘米辐射，波长已经变成了210米，而在黑暗时代结束时发出的辐射，波长则变成了1-2米。这也就是说，信号中不同波长的成分源于早期宇宙的不同时期，携带了反映当时宇宙成分和结构的信息。
因此，通过观测21厘米辐射信号，天文学家可以了解寒冷黑暗的“黑暗时代”，以及之后的宇宙再电离过程。如果能分辨天空不同位置的信号强度，还可以更进一步地研究电离区域是如何演化扩大的。
科学家希望进一步的观测，以及其他探测宇宙早期21厘米信号的研究，能够确认他们的发现，并帮助我们更好地了解宇宙的黑暗时代。
编译/旅行家
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发表于 2018-4-19 22:01:12
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