全球巨型望远镜阵列捕捉原始射线喜忧参半

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它们可能是地球上最强大的望远镜。它们没有穹顶、巨大的镜面和可操纵的射电接受碟，只有简单的天线零散阵列，它们中一些可能只有1人高，一些看上去就像机器蜘蛛或奇异的花园家具。分别位于北欧、南非和澳大利亚的这些天线阵列并不指向特定的天空目标。相反，它们被动地接收发射过来的信号，并将信号传输给真正的探测工具——超级计算机。

而这些设备有着超凡脱俗的目标。它们在追溯宇宙历史之初的景象，也许能看到的并不多：只有若干极早期的恒星和星系。它们的猎物不是分散的光点，而是弥散的气体海洋，这里曾发生了意义重大的变化。

寻找宇宙起源

大爆炸发生约40万年后，宇宙膨胀冷却了其创建之初形成的粒子和能量旋涡。结果是出现了主要由氢组成的气体黑雾，宇宙“黑暗时代”开始了，这些气体延续了数百万年，之后慢慢形成恒星和星系。

天文学家现在能看到的最远星系出现于距离大爆炸约10亿年后，位于一个充满电离氢的宇宙中，正如光线出现一样，一些东西电离了宇宙中所有的氢。最可能的“黑手”就是早期的恒星和星系，但要做到这些，它们必须跟现在恒星和星系截然不同：更大、更暴力、更独特。天文学家迫切地希望了解更多，但从130亿光年外分散的光线中收集到的资料并不多。

但1997年，英国天文学家Martin Rees及其同事Piero Madau和Avery Meiksin建议天文学家寻找早期中性氢的信号。在一个氢原子中，中间的质子和外层围绕的电子通常有相反的磁定向。当某些能量源将它们弹入相同方向后，原子会释放出波长21厘米的微波光子。

跟中性气体不同，电离氢不会释放出这样的辐射。Rees等人认为，如果天文学家能够探测到来自宇宙“再电离时期”（EoR）的21厘米的辐射，他们可能看到了电离氢的无辐射“气泡”。这些气泡的大小和分布将提供有关来源和再电离时间的信息。

天文学家开始考虑探测这类信号需要什么。随着来自EoR 21厘米的辐射穿越宇宙，宇宙膨胀会将其波长延伸到约2米。传统的射电望远镜大多无视此类波长，而为此特制的碟形天线则异乎寻常的大。但还有另一种方法：一个简单天线阵列和高负荷数字运算。正如美国加州大学伯克利分校天体物理学家Don Backer当时所说的：“所有你需要的是曲别针和超级计算机。”

“普通”的守望者

现在，数个此类望远镜正在热切追逐EoR信号。他们希望能在未来1~2年瞥见一些东西。科学家表示，21厘米射线将打开天体物理学和宇宙学的信息闸门，或许能跟宇宙微波背景辐射研究成果相媲美。但探测原始辐射信号的难度类似从嘈杂的球迷欢呼声中听到窃窃私语。“我们在总结经验。”澳大利亚莫奇森宽场阵列（MWA）首席科学家、美国亚利桑那州立大学Judd Bowman说，“我们怀有希望并热切渴望成功。”

这些“奇异”望远镜中最大的低频率阵列（LOFAR）矗立在荷兰北部的泥炭沼泽中。作为其建设者和主要研究者之一的荷兰射电天文学协会的Michiel Brentjens将它称为“世界上令人印象最不深刻的射电望远镜”。他是正确的：LOFAR只是由数百个约1人高的白色塑料杆构成的“丛林”，依靠钢索固定。这些天线与屋顶的电视天线看上去没什么不同。

LOFAR是一个干涉仪。阵列位于泥炭沼的核心部分有24个集群，每个包含超过850个天线，横跨了4公里的范围。其他14个集群零星分布在荷兰其他地区，还有5个位于德国，另外，法国、瑞典和英国各有一个。广阔的空间分布使得干扰仪有更好的分辨率。

但LOFAR的位置并不理想。荷兰政府承诺将阵列核心布置在该国北部，并提供5300万欧元用于工程建造，以拉动这里的高技术基础设施建设。尽管位于沼泽地区，LOFAR仍需要与附近的射电源干扰作斗争。“收音机和电视调频信号异常显著。它们比EoR信号明显100万倍。”幸运的是，该研究小组发现，EoR信号的主要搜索区约为150兆赫兹，这里“似乎非常安静”。

而另一个主要阵列则位于射线较少的偏远地区。EoR探测精密阵列（PAPER）则位于南非干旱台地高原半荒漠地区，是Backer的杰作。自2009年起，其形状如庭院椅子的天线数量一直在增加，现已达到128个。

第三个设备MWA位于澳大利亚西部佩斯以北数百公里的半干旱平原。MWA最初是LOFAR项目的一部分，但美国的一组研究机构反对将LOFAR建在荷兰“嘈杂”的环境中，最终与该国分道扬镳，并决定与澳大利亚、新西兰和印度同行合作建设自己的阵列。该望远镜拥有2048个蜘蛛状的天线，“运行良好”，研究人员说。

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应对复杂挑战

但建造这些阵列从某种意义上说仅是简单部分。LOFAR另一位主要研究者、荷兰格罗宁根大学理论学家Saleem Zaroubi表示，这些天线是“旧技术”。它们没有活动部件，因此不能集中到一个特殊的点，仅能接收到射向自己的东西。它们需要远方的超级计算机弄清这些信号，并将信号与噪音分离。

而这些阵列面临的最大挑战是从相同频率的其他射线源中挑选出极其微弱的EoR信号。在银河系，此类频率的无线电波来源于超新星残骸、银河系本身磁场加速的带电粒子和氢云内部电子与粒子撞击发出的辐射等诸多来源。银河系之外，无数的射电星系和星系团也会发射自己的信号。EoR信号模型显示，其他的射电源比它明亮1000~1万倍。

但由于现存的射电源没有图像或目录，研究小组需要将它们标注出来。“减去所有这些背景信号后，信噪比仍为1/10，你需要了解这些噪音，并找到量化它们的方法。”Brentjens说。

一旦做到这些，研究者将得到一个功率谱：射电信号在天空中如何变化的统计分析。这将解释最大的变化是发生在短距离还是长距离内。研究人员还能看到随着时间的推移再电离过程呈现的面貌。EoR或许能够持续数百万年，21厘米射线从历史之初到现在旅行了极长的距离，被拉伸成比后来的射线更长的波长和更低的频率。因此，一个140兆赫的信号可能比一个160兆赫的信号形成时间更早。

当干涉仪对偏差十分敏感时，EoR中间时期——当时的宇宙一半中性，一半被电离——也将产生最强有力的信号。“这些望远镜希望了解两个基本事情：EoR何时出现；它持续了多久。”Bowman说，“这样当它们探测到一个信号后，将能比较容易读出来。”

不过，所有三个设备的研究团队都十分乐观，他们认为自己将很快瞥见EoR的第一缕信号。“我们已经非常接近理论学家预测的信号水平，并且我们希望利用未来数据做到更好。”De Bruyn说。

他希望LOFAR将能在明年得出“第一阶段结论”。PAPER和MWA团队也希望如此。但Bowman指出，这些预测全部基于EoR信号的理论模型。他承认：“如果到2020年仍没有发现，那将让我们十分沮丧。”

另外，因为对所需信号处理量与计算法则的许多不同假设，“不会存在尤里卡时刻（好啊！有办法啦）。”Brentjens说。

而已经到来的下一代望远镜：平方千米阵列（SKA）将把目标锁定在从银河系演化到地外智慧信号的所有事情上。该望远镜的主体将位于南非，但部分阵列将坐落在MWA的家乡，它也将收集低频射线。因其强大的接受能力，SKA将能超越统计观察，而产生图片。“我们将能直接看到它们的结构，这是一个巨大的进步。”Zaroubi说。（张章）
《中国科学报》 (2014-11-20 第3版 国际)