《天体物理学杂志》：早期宇宙中的星系有很大的不同吗？

HERA阵列上方夜空中的银河系。望远镜只能在4月至9月之间观测，物理当时银河系低于地平线，学杂系因为银河系会产生大量的志早宙中无线电噪声，干扰再电离时代微弱辐射的期宇探测。该阵列位于无线电安静的不同区域，禁止收音机，天体手机甚至汽油动力汽车。物理学分：达拉·斯托尔
（神秘的学杂系地球uux.cn）据美国物理学家组织网（作者：Robert Sanders，加州大学伯克利分校）：南非卡鲁沙漠的志早宙中350台射电望远镜阵列越来越接近探测“宇宙黎明”——大爆炸后的恒星首次点燃和星系开始绽放的时代。
在接受发表在《天体物理学杂志》上的期宇一篇论文中，氢纪元再电离阵列（HERA）团队报告说，不同它将阵列的天体灵敏度提高了一倍，这已经是物理世界上最灵敏的射电望远镜，致力于探索宇宙历史上这个独特的学杂系时期。
虽然他们还没有真正探测到宇宙黑暗时代末期的无线电发射，但他们的结果确实为早期宇宙中恒星和星系的组成提供了线索。特别是，他们的数据表明，早期星系除了氢和氦之外含有很少的元素，这与我们今天的星系不同。
当无线电天线完全在线并校准时，理想情况下是今年秋天，该团队希望构建电离和中性氢气泡从大约2亿年前到大爆炸后约10亿年的3D地图。这张地图可以告诉我们早期的恒星和星系与我们今天看到的恒星和星系有何不同，以及整个宇宙在青春期的样子。
“这正朝着宇宙学中潜在的革命性技术发展。一旦你能达到你需要的灵敏度，数据中就会有很多信息，“加州大学伯克利分校天文学系的研究科学家、该论文的主要作者Joshua Dillon说。“宇宙中大多数发光物质的3D地图是未来50年或更长时间的目标。
其他望远镜也在窥视早期宇宙。新的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）现在已经成像了一个星系，该星系在大爆炸中宇宙诞生后大约3.25亿年就存在了。但是JWST只能看到在再电离时代形成的最亮的星系，而不是更小但数量更多的矮星系，它们的恒星加热了星系际介质并电离了大部分氢气。
HERA试图探测来自填充这些早期恒星和星系之间空间的中性氢的辐射，特别是确定氢何时停止发射或吸收无线电波，因为它被电离。
HERA团队尚未在宇宙黑暗时代的冷氢中检测到这些电离氢气泡，这一事实排除了恒星在早期宇宙中如何演化的一些理论。
具体来说，数据显示，最早的恒星可能在大爆炸后大约2亿年形成，除了氢和氦之外，几乎没有其他元素。这与今天的恒星组成不同，今天的恒星具有各种所谓的金属，这是天文学术语，指从锂到铀的元素，它们比氦重。这一发现与目前恒星和恒星爆炸如何产生大多数其他元素的模型一致。
“早期星系必须与我们今天观察到的星系明显不同，以便我们没有看到信号，”HERA首席研究员，加州大学伯克利分校天文学副教授Aaron Parsons说。“特别是，它们的X射线特性必须改变。否则，我们就会检测到我们正在寻找的信号。
早期宇宙中恒星的原子组成决定了一旦恒星开始形成，加热星系际介质所需的时间。关键是高能辐射，主要是X射线，由双星产生，其中一颗已经坍缩成黑洞或中子星，并逐渐吞噬它的同伴。由于重元素很少，伴星的许多质量被吹走而不是落到黑洞上，这意味着更少的X射线和周围区域的热量。
新数据符合最流行的理论，即恒星和星系在大爆炸后如何首次形成，但不符合其他理论。一年前报告的HERA数据的首次分析的初步结果表明，这些替代方案 - 特别是冷再电离 - 不太可能。
“我们的研究结果要求，即使在再电离之前，直到大爆炸后4.5亿年，星系之间的气体也必须被X射线加热。这些可能来自双星系统，其中一颗恒星正在失去伴星黑洞的质量，“狄龙说。“我们的研究结果表明，如果是这样的话，这些恒星一定是非常低的'金属量'，也就是说，与我们的太阳相比，除了氢和氦之外的元素很少，这是有道理的，因为我们谈论的是宇宙中大多数其他元素形成之前的一段时间。

再电离阵列的氢纪元（HERA）由350个向上指向的培养皿组成，以检测早期宇宙的21厘米排放。它位于南非干旱的卡鲁的一个无线电安静的地区。学分：达拉·斯托尔
再电离时代
宇宙在138亿年前的大爆炸中起源产生了一个由能量和基本粒子组成的热大锅，在质子和电子结合形成原子之前，这些大锅冷却了数十万年——主要是氢和氦。天文学家用灵敏的望远镜观察天空，详细绘制了大爆炸后仅38万年后这一刻温度的微弱变化 - 所谓的宇宙微波背景。
然而，除了这种残余的热辐射之外，早期的宇宙是黑暗的。随着宇宙的膨胀，物质的团块播种了星系和恒星，这反过来又产生了辐射 - 紫外线和X射线 - 加热恒星之间的气体。在某个时候，氢开始电离——它失去了电子——并在中性氢内形成气泡，标志着再电离时代的开始。
为了绘制这些气泡，HERA和其他几个实验专注于中性氢吸收和发射的光波长，但电离氢不会。它被称为21厘米线（频率为1，420兆赫兹），由超精细跃迁产生，在此期间电子和质子的自旋从平行翻转为反平行。失去唯一电子的电离氢不会吸收或发射这种射频。
自再电离时代以来，21厘米的线因宇宙膨胀而红移到10倍长的波长 - 约2米或6英尺。HERA相当简单的天线，由鸡线，PVC管和电线杆构成，直径为14米，以便收集并将这些辐射聚焦到探测器上。
“在两米波长下，鸡丝网是一面镜子，”狄龙说。“可以这么说，所有复杂的东西都在超级计算机后端以及之后的所有数据分析中。
新的分析基于2017年和2018年对约40个天线的94个夜晚的观测 - 阵列的第一阶段。去年的初步分析是基于第一阶段观察的18个晚上。
新论文的主要结果是，HERA团队将阵列的灵敏度提高了2.1倍，用于大爆炸后约6.5亿年发出的光（红移或波长增加，为7.9），以及大爆炸后约4.5亿年发出的辐射的灵敏度为2.6倍（红移为10.4）。
HERA团队继续改进望远镜的校准和数据分析，希望看到早期宇宙中的那些气泡，这些气泡的强度约为地球附近无线电噪声的百万分之一。过滤掉当地的无线电噪声以查看来自早期宇宙的辐射并不容易。
“如果是瑞士奶酪，星系就会打洞，我们正在寻找奶酪，”到目前为止，没有成功，加州大学伯克利分校射电天文学实验室的研究天文学家David Deboer说。
然而，狄龙扩展了这个类比，他指出，“我们所做的是，我们说奶酪必须比什么都没发生时更温暖。如果奶酪真的很冷，事实证明，比奶酪是温的更容易观察到这种斑块。
这主要排除了冷再电离理论，该理论提出了一个更冷的起点。相反，HERA研究人员怀疑，来自X射线双星的X射线首先加热了星系际介质。
“X射线将在孔形成之前有效地加热整个奶酪块，”狄龙说。“那些洞是电离的比特。
“HERA正在继续改进并设定越来越好的限制，”帕森斯说。“事实上，我们能够继续推进，并且我们拥有继续为我们的望远镜取得成果的新技术，这很棒。
HERA合作由加州大学伯克利分校领导，包括来自北美，欧洲和南非的科学家。