7月6日晚，《自然—天文》雜志在線發表了東北大學和中科院國家天文臺聯合團隊（張鑫—陳學雷團隊）的一項重大成果，該項研究提出了一種新方法，利用宇宙黎明時期的21厘米森林觀測來同時探測暗物質和宇宙中第一批星系。論文第一作者為東北大學博士生邵悅，通訊作者為國家天文臺徐怡冬副研究員、東北大學張鑫教授和國家天文臺/東北大學陳學雷研究員。
暗物質一直是基礎科學中最重要的問題之一，而宇宙中第一批星系的形成過程以及宇宙黎明的來臨也是天文學領域一直努力回答的重大科學問題。張鑫-陳學雷團隊獨辟蹊徑，提出了一個新思路，利用21厘米森林的觀測可以實現同時探測暗物質的性質和第一批星系，這對于解決這兩個重大科學問題具有重要意義。
該研究提出了一種創新方案，通過測量21厘米森林的一維功率譜來解決弱信號提取和簡并問題。研究結果表明，通過一維交叉功率譜的測量可以顯著提高探測的靈敏度。進一步，通過分析一維功率譜的幅度和形狀所揭示的信號尺度依賴性，證明了21厘米森林可以成為同時測量暗物質性質和宇宙熱歷史的可行且有效的手段。
圖：模擬得到的21厘米森林一維功率譜。通過一維功率譜測量，可以顯著提高探測的靈敏度。通過一維功率譜的幅度和形狀，將可以同時對溫暗物質和宇宙加熱效應進行測量。
“我們意識到由溫暗物質效應和加熱效應引起的信號變化，在光譜上的尺度分布特征不同，因此通過一維功率譜分析，將可以從統計上提取關鍵特征以區分這兩種效應?！毙焘榻B說，“而且，如果對同一段光譜的兩次測量做互相關，將能夠顯著壓低噪聲，從而提高信噪比。這對21厘米森林這種弱信號的提取是非常關鍵的?！?/p>
該項研究清晰地展示了21厘米森林的一維功率譜確實可以成為一箭雙雕的宇宙學探針，為揭開暗物質和第一代星系之謎提供了一種極有前景的新途徑。
徐怡冬和張鑫為《自然—天文》專門撰寫了介紹性短文，他們寫道：“由于信號極其微弱以及難以識別高紅移射電亮源，該探測甚至從未被嘗試過。在過去的三年里，高紅移射電噪類星體的發現和功率譜分析技術的發展激發了使用21厘米森林研究溫暗物質的想法。我們很快意識到，信號和噪聲之間的尺度依賴性的明顯特征可以用于基于統計方法的弱信號提取，使21厘米森林成為同時測量暗物質特性和宇宙熱歷史的可行和有效的手段?！?/p>
國際著名專家、加拿大圓周理論物理研究所的Katherine Mack教授在《自然—天文》評論道：“這項研究提出了一種有趣的方法，利用21厘米森林功率譜同時限制兩種現象：宇宙X射線對星系際介質的加熱以及溫暗物質的可能效應。雖然以前的研究已經檢查了21厘米森林作為星系際介質探針的可能性，但將溫暗物質效應作為一個獨立信號包含進來則為未來的觀測提供了一個新的科學目標。”
《自然—天文》的編輯團隊也針對這項研究發表了評論：“我們宇宙的最遠處總是極為神秘，由于被塵埃、吸收光的原子和中間介質中的氣體阻擋而很難直接觀測。這項研究將吸收轉化為一種優勢，利用它打破了其他方法所遭遇的不同效應的簡并，并可用于闡明早期宇宙的結構形成?！?/p>
這一突破性方法的發展對于解開暗物質和宇宙早期天體形成的奧秘具有重要意義，將進一步推動我們對暗物質的理解，揭示宇宙天體和結構形成及演化的過程。通過更深入的觀測和分析，我們有望在不久的將來獲得關于暗物質性質和早期星系形成的更多見解，進一步拓展我們對宇宙的認知。
該項研究由國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金項目資助。該項成果也是遼寧省宇宙學與天體物理重點實驗室自去年底成立以來取得的首批重大原創性、標志性成果。論文主要作者徐怡冬、張鑫和陳學雷為重點實驗室成員。同時，工業智能與系統優化國家級前沿科學中心、智能工業數據解析與優化教育部重點實驗室也對張鑫-陳學雷團隊的相關研究給予了大力支持。（作者：邵悅 編輯：楊茗 劉宇豪）
論文鏈接 https://www.nature.com/articles/s41550-023-02024-7
