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用“21厘米”破解暗能量的本质

来源:科技日报2021-07-13 10:06

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  7月6日,由我国科学家参与的国际合作宇宙学项目——BINGO正式启动。该项目首席科学家、扬州大学王斌教授在接受科技日报记者采访时说:“我们将与全球科学家一起建造观测来自深空的中性氢气体的射电望远镜,通过对宇宙不同演化时期中性氢气体21厘米线辐射的精确观测,揭示宇宙演化物理本质以及暗能量本质。”

  伴随着技术进步,人类对宇宙中性氢气体的21厘米线进行精确观测已成为可能,21厘米宇宙学正快速进入人们的视野,成为天文学家探索宇宙大尺度结构、暗物质分布、暗能量状态方程的强有力工具。

  宇宙大尺度结构的“录音记录”

  宇宙中存在大量中性氢气体,这些气体中的氢原子基态能级超精细结构之间的跃迁会产生电磁波波长为21厘米的线辐射(中性氢21厘米线),是研究宇宙结构和演化的有力工具。伴随着技术进步,着重于对中性氢21厘米线开展观测研究的21厘米宇宙学已逐渐进入人们的视野,标志着研究宇宙大尺度结构、暗物质和暗能量的一个崭新时代即将全面开启。

  王斌介绍,暗能量的本质是当代自然科学中的重大难题,同时也是极有可能孕育新物理发现的最前沿科研问题之一。BINGO项目名称的含义,即是通过对宇宙中中性氢气体的观测来捕捉重子声学振荡信号(BAO)。

  标准重子声学振荡被喻为宇宙大尺度结构的“录音记录”,是测量宇宙大尺度结构的尺,通过探测不同红移处的重子声学振荡,科学家可以测量宇宙膨胀率随时间的变化,从而精确测量暗能量状态方程等关键宇宙学参数,揭示宇宙加速膨胀的奥秘。

  王斌告诉记者,与其他项目相比,BINGO所关注的红移区间有所不同,更注重于宇宙开始加速膨胀后的时期(即大爆炸之后9亿年以来的时期)。特别是通过一种有效的巡天方式——强度映射巡天(Intensity Mapping),BINGO可以以极高的效率获得中性氢在大尺度上的分布,聚焦于揭示重子声学振荡现象和暗能量的物理本质。

  21厘米宇宙学领域竞争激烈

  “目前,国际上已经建成和正在设计建造的一系列大型射电望远镜设备都瞄准了21厘米宇宙学,这标志着宇宙学的新时代正在开启。”王斌说,近年来,包括我国的500米口径球面射电望远镜(FAST)等在内的数个单口径天文望远镜项目,也先后加入了21厘米宇宙学领域的竞争。此类射电望远镜设施拥有显著优势,可实现相对快速的巡天观测。

  目前所有对于重子声学振荡的测量都是通过光学手段,也就是使用光学望远镜,在较低红移处得到的,受仪器探测能力和系统误差影响较大。观测21厘米线使用的是射电望远镜。射电观测被认为是未来探测更遥远宇宙中物质分布的有力手段之一。通过观测宇宙中最常见的成分中性氢在原子基态能级改变时以21厘米波长发出的电磁辐射,可以精确测量中性氢分布的功率谱。中性氢射电观测所依赖的示踪物不同于光学观测,可拓宽重子声学振荡观测的红移范围。

  而BINGO项目则是利用射电波,通过对宇宙中中性氢气体的观测来捕捉重子声学振荡信号,从而可以更好地揭示暗能量的本质。

  BINGO项目的建设和运行不仅对空间科学、物理学、天文学等学科的科学研究、队伍建设和人才培养具有非常重要的意义,也将有力促进信息、电子、机械等相关学科的进一步融合交叉,提升这些学科的创新能力,优化交叉型新工科人才的培养,对于我国开展相关领域的科学研究起到重要的推动作用。

  这项计划获得巴西、英国、法国、瑞士及中国国家自然科学基金委重点项目支持。其中,我国科学家团队主要承担BINGO理论模板、强前景干扰扣除算法、望远镜基建等核心任务,以及开展相关科学研究。(过国忠 虞 璐 吴健聘

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