宇宙早期已经发出了无线电信号

在宇宙学领域中，揭开暗能量的秘密，即宇宙加速膨胀的来源；捕捉暗物质粒子的踪迹，即宇宙缺失的五倍于正常物质的质量；探索反物质消失之谜，即宇宙物质起源的问题，可能是当今科学界最大的悬而未决的问题。当然黑洞物理学，从理论上提出其可能存在到确认，再到第一张照片的拍摄也一直受到人们广泛的关注。

所有这些主题都是宇宙学领域中活跃的研究领域，对这些领域的研究一直在挑战人类知识的边缘。今天，我将概述两个不那么热门的宇宙学子领域：理解超高能宇宙射线的性质和探索宇宙的“黑暗时代”。这两个问题也是我们未来需要解决的宇宙谜题。

射入大气的宇宙射线粒子产生的粒子簇。在左上角放大的区域中，每一行都代表了宇宙射线与大气粒子碰撞在连锁反应中产生的新粒子。

超高能宇宙射线

地球大气层不断受到来自宇宙各个方向高能粒子的轰击，这些粒子不像陨石或太空碎片，它们是单个粒子或原子核，其大多数为质子也就是氢原子核。当宇宙射线进入大气层时，它与地球大气中的分子或原子相撞，碰撞就会引发产生次级粒子的连锁反应，这些次级粒子会散布成巨大表面积并落在地球表面，这一事件被称为粒子“阵雨”。我们已经建造了覆盖3000平方公里的宇宙射线簇射探测器，其位于阿根廷门多萨的皮埃尔·奥格天文台。其中有1600个探测箱散布在大草原上，每个探测箱装有12吨的“纯水”，能够精确地测量出簇射粒子在探测阵列中的相互作用，这样我们就可以知道宇宙射线的入射方向和能量。

10^12电子伏特对应于LHC碰撞中的能量

我们观测到的宇宙射线的能量跨越了巨大范围，覆盖了约10个数量级，这意味着最高能量的宇宙射线大约是最低能量的10^10倍。在最高能量范围的宇宙射线，被称为超高能宇宙射线（UHECRs），每个粒子大约有1焦耳的能量。这大概是你把咖啡杯从桌子上举到嘴边所需要的能量，但要记住，所有这些能量都包含在一个亚原子粒子中。

另外，大型强子对撞机的能量为10^12电子伏特（10^-6焦耳）。大型强子对撞机是迄今为止人类建造的最强大的粒子对撞机。我们观察到的UHECRs比LHC高能粒子的能量高100万倍！

图中显示了27个UHECRs（黑圈）的观测位置。红色的点显示活跃星系核的位置，被认为是UHECRs的可能来源。

我们观察到了宇宙射线的能量趋势，特别是我们看到的低能宇宙射线比超高能宇宙射线要多得多，在一年中，每平方公里大约可以检测到10^6个宇宙射线粒子，其中只有1个 UHECRs。由于发现的少，所以我们很难准确地确定UHECRs来自于什么天体，这也使得我们很难判断是什么将这些宇宙射线加速到极端的能量。到目前为止，在理论上包括超新星爆炸、中子星合并、黑洞产生的物质喷流和伽马射线爆发，以及其他更奇异的解释，但没有一个解释被证实是超高能宇宙射线粒子的来源。

宇宙时代的时间轴，包括“黑暗时代”:宇宙微波背景和第一颗恒星形成之间的一段时间。

21厘米线

在宇宙微波背景形成之后，宇宙就进入了所谓的“黑暗时代”。这是宇宙演化的一个重要的时期，此时宇宙中没有明亮的发光物质，也就是说没有恒星、星系、超新星、脉冲星、类星体或任何其他发出可见光、紫外线或x射线的天体。简而言之，我们不管用哪个波段的望远镜都看不见任何东西。

但这时的宇宙正在引力的作用下发生至关重要的变化，以中性轻元素形式存在的普通物质（其中最丰富的氢）正在密度高于平均区域密度的位置发生坍塌和聚集。这些逐渐形成的团块中，有一些后来形成了恒星和星系，而另一些没有形成任何结构的则仍然以弥散气体的形式存在。

目前，我们绘制普通物质分布图和收集观测数据的方法是观察所有的明亮的发光物质，这些观测数据为我们的宇宙演化模型提供了重要的信息。但是，我们该如何了解黑暗时代的宇宙呢？由于没有任何光线，这让“黑暗时期”，以及宇宙中那些从未坍缩成发光物体的区域，变得难以测量。

在宇宙黑暗时代，有一些区域比平均水平有更多（蓝色）和更少（黑色）的物质，但没有恒星照亮宇宙。

想要描绘“黑暗时代”时期的物质分布，有希望的方法是测量中性氢跃迁后的21厘米线。氢是由一个质子和一个电子组成的，而电子和质子都具有内在的自旋特性。质子和电子自旋方向的相对排列（意思是如果它们的自旋方向都指向同一个方向或方向相反）对氢原子的能量有细微的影响。指向同一方向的自旋（称为对齐状态）比指向相反方向的自旋（反对齐状态）能量略高一些。宇宙中的物体一般都会自发的转变为可能的最低能量状态，所以质子和电子自旋对齐的氢原子会自发的发生翻转，变为反对齐状态，因为这是一个较低的能量状态，根据能量守恒定律，高能量到低能量的转变就会发射出一个光子。而这个光子的波长为21厘米。因此称为中性氢21厘米发射线。

我们今天看到的宇宙基本上处于电离状态，这意味着我们观察到的气体云是带正电荷的原子，而不是中性的原子。但宇宙微波背景辐射的形成告诉我们，宇宙中的原子在早期是中性的，所以一定是在某一时刻形成了恒星，其发出的大量X射线电离了中性气体。只是我们目前不知道恒星是什么时候形成的。目前，关于恒星形成的最初时刻，我们的估计为大爆炸后大约4亿年，可能更早。

但通过测量21厘米线就成为“黑暗时期”最佳的探测工具，我们不仅能根据21厘米线绘制出当时中性气体云的分布，还能知道宇宙的第一颗恒星是何时形成的。例如，当第一颗新形成的恒星开始发光时，我们将能通过测量21里面线的发射光谱中的变化特征，确定恒星的形成时间。

 

可是想测量21厘米线并没有那么简单。我们知道在宇宙历史空间一直在膨胀，光子的波长也随之被拉长而发生红移。因此，“黑暗时期”发射出的21厘米波长的光子现在的波长肯定不是21厘米。

从黑暗时代发出的21厘米光子其波长已经红移到了大约1米左右。根据光子波长= 1 /光子频率的关系，这些宇宙光子的频率现在约为1千兆赫。这与你开车上班时收听的调频广播电台的辐射范围完全相同。因此人类广播的无线电信号将会完全淹没了宇宙的无线电信号，所以任何21厘米天文台要么修建在地球上无线电信号比较安静的地方，要么像哈勃那样去外太空。事实上，最理想的观测站之一是月球的黑暗面，因为同步自转使月球的背面永远背对着地球，因此月球就能完全屏蔽地球无线电的干扰。这是我们未来科学的目标。

因此宇宙学不光有暗物质，暗能量和黑洞这些大的研究领域和未知问题。上面概述的两个主题也是宇宙学家正在寻找回答的问题。