编者按

宇宙中，第一代发光天体如何形成？宇宙又是如何从黑暗走向黎明？如今的人类，打造了平方公里射电阵（SKA），人们期待它能像一台“时间机器”，帮助人类找寻亿万年前宇宙活动留下的印记，为找寻宇宙起源提供线索。

“我爱黎明！我爱黎明！”——电影《破坏之王》中的无名老伯

“一朝步入画卷，一夜梦回千年”，张择端先生绘制的清明上河图徐徐展开，北宋年间的繁华映入眼帘。如今，天文学家们也在用各种观测手段描绘自宇宙大爆炸至今的壮美画卷。

随着宇宙大爆炸的余晖慢慢散去，在经历了光子与电子脱耦，产生宇宙微波背景辐射之后，宇宙变得透明。此时，第一代天体尚未形成，除了逐渐变暗的微波背景辐射之外，宇宙中没有其他光源，因此该时期被称为黑暗时期。

经历了漫长的黑暗时期，第一代发光天体诞生。宇宙大爆炸留下的余晖就是人们今天所能观测到的宇宙最遥远的边界。随着宇宙大爆炸的余晖慢慢冷却，中性氢、氦，以及暗物质，组成了宇宙中的主要物质成分。

在宇宙黑暗时期，氢原子都以中性氢的形式存在，这一直持续到第一代天体形成。天体的辐射逐渐将宇宙中的氢电离，终结了黑暗时期。如今，科学界认为，这一过程大约始于宇宙诞生的一亿五千万年之后，一直持续到大约宇宙诞生的十亿年后。

经过再电离时期后，宇宙中大部分的氢原子重新电离，目前的宇宙只在星系中留有部分的中性氢。虽然氢原子被重新电离，但由于宇宙膨胀，物质密度已经非常稀疏，因此被电离的自由电子并不会影响光子的自由传播，宇宙依然是透明的。

但无论宇宙的黑暗时期，还是“黎明和再电离”时期，都缺少辐射源，目前，我们对其认知非常有限。

我们不知道第一代发光天体通过何种方式形成，也不了解中性氢是如何被电离的。研究宇宙中第一代发光天体的形成过程，就是研究宇宙从黑暗走向光明的历程。

第一代发光天体的高能光子开始电离周围的气体，宇宙进入了黎明和再电离时期。中性氢再电离的区域慢慢长大，最终宇宙实现了由黑暗到光明的演化。

中性氢原子由一个原子核和一个电子组成，原子核和电子存在着自旋“同向”和“反向”两种状态。当中性氢原子吸收第一代发光天体产生的光子时，原子核和电子由自旋同向到反向转变，发生了超精细结构能级跃迁，这产生了波长为21厘米的辐射（对应频率为1420MHz）。

这段波长21厘米的信号会在宇宙微波背景辐射上留下印记。这个印记被称为宇宙黎明和再电离时期中性氢21厘米信号，它为我们探测和研究宇宙第一代发光天体的形成提供了有效手段。

中性氢的21厘米线是一条具有特定频率的谱线，在不同的探测波段对应不同红移时期的中性氢信号。随着宇宙的膨胀，宇宙黎明和再电离时期的中性氢21厘米信号传播到今天，处在米波波段，也就是低频射电波段。因此，我们可以在低频射电波段通过探测中性氢21厘米信号，以此来研究第一代发光天体形成，从而了解宇宙的黎明和再电离时期。

但是，21厘米信号非常微弱，比银河系及河外射电源的前景辐射低十万倍。要从强大的前景射电污染中提取微弱的背景信号，如同大海捞针。

并且，随着人类科技的发展，电子产品的广泛使用造成了低频射电波段的电子干扰，目前能够进行低频观测的射电宁静区域越来越少。电视基站、飞机反射、雷达、卫星信号等等，也包括闪电、高压电线电缆等都会在低频射电波段产生干扰，从而为探测到宇宙21厘米信号造成了极大的困难和挑战。

全球科学家正在努力克服这些困难。目前已经有许多低频射电阵列建成，并把宇宙黎明和再电离时期的探测作为首要科学目标。

比如，中国建于新疆天山地区的低频阵列21 Centimeter Array (21CMA)，以及国外的Low Frequency Array (LOFAR)， Murchison Widefield Array (MWA)等低频射电阵列。

多国合作的具有高分辨率和灵敏度的大型射电望远镜阵列平方公里阵SKA(Square Kilometer Array)已于2021年开始建设，该项目联合了中国、澳大利亚、英国等多个国家的科学家和工程师，其首要科学目标之一就是揭开宇宙黎明和再电离时期的神秘面纱。

相信在不久的未来，我们可以在这一领域取得重要的进展和突破。预计在未来的五年时间里，人类极有可能探测到微弱的宇宙黎明和再电离时期的中性氢21厘米信号，从而把宇宙学研究推向另一个黄金时期。

作者：宇宙黎明骑士团，由参与科技部SKA“宇宙黎明和再电离探测”专项、来自中科院上海天文台等单位的一线科研人员所组成。

“光年之外”专题，由“共话天文与人·赋能未来发展”天文论坛特别邀约国内外顶尖天文科研工作者撰文，该论坛由中国天文学会主办，中国科学院上海天文台和国际天文学联合会天文促发展办公室东亚区域办公室承办，它是IYBSSD2022基础科学促进可持续发展国际年系列活动之一。