邓丽

宇宙起源于约139亿年以前，大爆炸之后，宇宙中的大部分物质冷却形成中性氢，进入宇宙黑暗时期。大约1亿年后，在引力的作用下，密度较大的氢气聚集在一起，形成第一颗恒星，黑暗的宇宙出现了第一缕曙光，迎来宇宙黎明。此后，演化出更多的恒星和星系，宇宙进入辉煌、璀璨的年代。

在黑暗时期，宇宙中没有光，只有重子物质，重子物质主要以氢和氦原子气体形式存在。中性氢原子由有一个质子（核）和一个电子（核外电子）组成。核外电子绕核旋转，可以处于不同的轨道，对应原子不同的能级。最内层轨道，能级最低。质子、电子也有自旋，两者的自旋方向有“平行”和“反平行”两种状态，“反平行”状态能量最低。由于碰撞，中性氢原子即非电离态的氢原子，会吸收能量从“反平行”状态变为“平行”状态，当回到“反平行”状态时，多余的能量便会释放出去，产生21cm辐射。如图1所示。

图1 来自维基百科

1944年，荷兰天文学家范.德.胡斯特（H.C.Van de Hulst）从理论上计算出中性氢原子在能态改变时会辐射21cm波长的电磁波。1951年哈佛大学的尤恩(Harold Ewen) 和珀塞尔（E.M. Purcell）首次观察到来自银河系的中性氢原子21 cm的星际谱线信号。1954年，激光之父美国物理学家查尔斯.汤斯（C.H.Townes）列出了17种可观测到的星际分子谱线清单，极大促进了分子天文学的发展，1964年因其在微波激射器和激光器方面的重大贡献获诺贝尔物理学奖。今天我们若去寻找宇宙早期的中性氢原子，它经历了139亿年的红移，其频率已经从1420MHz红移到了30MHz以下的低频谱段。什么是“红移”？红移是物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低。提到红移，不得不提哈勃著名的“红移定律”。1912年至1917年间，美国天文学家斯莱弗（Vesto Melvin Sliper）用谱线位移测量了15个星系的视向速度，只有两个谱线表明向银河系靠近，其余13个都是红移，远离银河系而去。之后，美国天文学家哈勃（Edwin Powell Hubble）和哈马逊（M.L.Humason）用望远镜测量了更多的星系，发现大多数星系都是红移，且红移量与距离有关。1929，哈勃发表文章提出了著名的“哈勃关系”，哈勃关系是宇宙膨胀的观测证据。

V=HD

V是视向速度，因为绝大多数星系都是退行，也称为退行速度；D为距离；H为哈勃常数。按照哈勃关系，越是距离遥远的星系，退行速度越大，按照相对论可推导出红移值计算公式。1953年，哈勃的“红移定律”发表在《英国皇家天文学会月刊》上，同年却不幸去世，与诺贝尔物理学奖失之交臂。对哈勃关系更深刻的理解为：不是星系在空间退行运动，而是宇宙在膨胀！正如这些渐行渐远的氢原子似乎一边跑着一边呼喊，“来追我啊，快来追我啊！”，让我们唯一可追寻的脚印便是21cm辐射信号。

宇宙大爆炸理论和宇宙膨胀理论提出后，氢原子引发的故事越来越多。大爆炸后最初约30万年内，由于温度太高，氢原子核、氦原子核不能与电子结合，宇宙中游荡着稠密的自由电子，辐射不能自由穿行，宇宙处于混沌和黑暗之中。40万年～70万年以后，温度降低，氢原子核、氦原子核与电子自由结合，形成了简单原子。自由电子消失，辐射可以自由穿行，混沌初开、曙光初现，形成了最早的宇宙背景辐射。1964年，美国贝尔实验室的两位无线电工程师彭齐亚斯（A.A.Penzias）和威尔逊（R.W.Wilson）用一种特殊设计的喇叭天线获得了划时代意义的重大发现——在天空各处无所不在地存在一种微波波段的辐射，无论哪个方向强度都均匀一致，相当于绝对温度3K。而这正是普林斯顿大学天体物理学家皮布尔斯（P.E.J.Peebles）和迪克（R.H.Dicke）教授论证并准备探测的3K宇宙背景辐射。宇宙背景辐射做为大爆炸理论的实测证据，1978年，彭齐亚斯和威尔逊因这一发现获诺贝尔物理学奖。之后，1989年11月，美国发射宇宙背景探测卫星COBE（cosmic background explorer）,探测结果表明宇宙背景辐射呈现出非常完美的黑体谱，也侧面证实了大爆炸理论的正确性。2006年，主持该项目的天文学家马塞（J.Mather）和斯穆特（G.Smoot）获得诺贝尔物理学奖。2001年，美国又发射了精度更高、波长范围更广的宇宙微波辐射各向异性探测器（WMAP），给出5个波段的全天图。2009年，欧洲航天局牵头美国航天局参与发射普朗克卫星（Planck），在9个波段绘制迄今为止最精确的微波背景辐射图。Planck卫星与WMAP探测结果对比如图2所示。直到2019年，皮布尔斯由于其在宇宙学的杰出贡献，也终获诺贝尔物理学奖。

图2 来自百度百科

虽然大爆炸理论已经通过宇宙观测得到证实，但宇宙黑暗时期和宇宙黎明，还存在多种理论猜想，是早期宇宙最重要的待解之谜。宇宙早期氢原子的故事拉开了低频射电探测的序幕，中国科学家和工程师们也踏上了探索的征程。2018年，嫦娥四号着陆器配置了中国研制的低频探测天线，鹊桥号中继卫星上搭载了荷兰研制的低频探测天线；同时，与鹊桥号中继星一起发射的龙江一号、二号卫星配置了低频干涉仪；同年，中国科学院空间科学先导专项启动背景型号项目DSL任务。低频射电探测的脚步向着氢原子的深处呼唤前进。

本文作者：邓丽
中国科学院国家空间科学中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室研究员，从事分布式空间系统设计及信息处理研究工作。