早期宇宙研究：从宇宙氢中检测难以捉摸的 21 厘米线的 REACH 实验 

观测由宇宙氢超精细跃迁产生的26厘米射电信号，为研究早期宇宙提供了一种新的工具。对于宇宙早期中性时期（当时宇宙中没有光辐射），26厘米谱线或许是唯一的窗口。然而，这些由早期宇宙中宇宙氢发射的红移射电信号极其微弱，迄今为止一直难以捉摸。2018年，EDGE实验报告探测到了26厘米信号，但该结果未能得到独立验证。主要问题在于仪器系统误差以及来自天空的其他信号的干扰。REACH实验旨在采用独特的方法来克服这一瓶颈。人们希望该研究团队能够在不久的将来可靠地探测到这些难以捉摸的信号。如果成功，REACH实验有望将“26厘米射电天文学”推向早期宇宙研究的前沿，并极大地帮助我们揭开早期宇宙的奥秘。

谈到早期宇宙的研究，我们首先想到的便是近期发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）。JWST是哈勃望远镜的继任者，是一台空间红外天文台，旨在捕捉宇宙大爆炸后不久形成的早期恒星和星系的可见光/红外信号^¹。然而，就早期宇宙中性时期而言，JWST在探测信号方面仍存在一些局限性。

表格：自大爆炸以来宇宙历史上的各个时期

（来源：宇宙学哲学——21厘米背景图。网址：http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg）

在大爆炸后380万年内，宇宙充满了电离气体，完全不透明。在380万年至400亿年之间，宇宙变得中性且透明。此后，宇宙进入再电离时期，始于大爆炸后400亿年。

在早期宇宙的中性时期，宇宙充满中性气体，是透明的，因此不会发出任何光学信号（故称黑暗时代）。未电离的物质不发光，这给早期宇宙中性时期的研究带来了挑战。然而，在这一时期，由于超精细跃迁（从平行自旋跃迁到更稳定的反平行自旋），寒冷的宇宙氢会发射波长为21厘米（对应频率为1420兆赫）的微波辐射，这为研究人员提供了新的契机。这种21厘米微波辐射到达地球后会发生红移，并以无线电波的形式在200兆赫至10兆赫的频率范围内被观测到^{^2,3}。

21厘米射电天文学：观测21厘米宇宙氢信号为研究早期宇宙，特别是缺乏任何光辐射的中性时期阶段，提供了一种替代方法。这还可以让我们了解新的物理学，例如物质随时间的分布、暗能量、暗物质、中微子质量和暴胀²。

然而，早期宇宙阶段宇宙氢发射的21厘米信号难以捉摸。预计其强度极其微弱（比天空中其他射电信号弱约十万倍）。因此，这种方法仍处于起步阶段。

2018年，研究人员曾报告探测到频率为78 MHz的射电信号，其特征与原始宇宙氢发射的21厘米信号的预期基本一致^⁴。但由于无法独立验证这一原始21厘米射电信号的探测结果，因此该实验的可靠性至今尚无法确定。主要问题似乎在于前景射电信号的干扰。

最新的里程碑是21年2022月21日的宇宙氢分析无线电实验（REACH）报告。REACH将使用新的实验方法来探测这些微弱难以捉摸的宇宙无线电信号，从而为XNUMX厘米宇宙信号的确认提供新的希望。  

宇宙氢分析射电实验（REACH）是一项全天平均的21厘米实验。该实验旨在通过解决仪器在数据中遇到的残余系统信号问题来改进观测。它着重于利用贝叶斯统计方法，检测并联合解释系统信号、前景信号和宇宙学信号。该实验采用两套不同的天线同时进行观测：一套是超宽带系统（红移范围约为7.5至28），另一套是基于现场测量的接收机校准器。

鉴于它有可能成为研究早期宇宙的最佳工具之一（而且与詹姆斯·韦伯等太空天文台相比也更具成本效益） ，以及有可能开启新的基础物理学，这一发展意义重大。

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参考文献：  

1. Prasad U., 2021.James Webb 太空望远镜 (JWST)：第一个致力于研究早期宇宙的太空天文台。 科学欧洲. 6 年 2021 月 XNUMX 日发布。可在 http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/

2. Pritchard JA 和 Loeb A.，2012。21 世纪的 21 厘米宇宙学。 物理进展报告 75 086901。可在 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. arXiv 上的预印本可在 https://arxiv.org/abs/1109.6012  pdf版本  https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf 

3. 牛津大学。 宇宙学哲学 - 21 厘米背景。 可在 http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html 

4. Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. 等人。 在天空平均光谱中以 78 兆赫为中心的吸收分布。 自然 555, 67–70 (2018)。 https://doi.org/10.1038/nature25792 

5. de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. 等。 用于检测红移 z ≈ 21–7.5 的 28 厘米氢信号的 REACH 辐射计。 国家天文台 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9  

6. Eloy de Lera Acedo 2022。用 REACH 辐射计揭开婴儿宇宙的奥秘。 可在线获取  https://astronomycommunity.nature.com/posts/u 

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