同时探索暗物质和第一批明亮星系
宇宙第一星系之谜是人类不屈不挠的渴望。它们的形成是由暗物质的性质决定的，这也是基础物理学面临的最重要的问题之一。然而，了解暗物质的性质(例如，它是冷物质还是暖物质)及其对第一个星系形成的后续影响是一个巨大的挑战。
现在，来自东北大学(中国)和中国科学院国家天文台(NAOC)的联合研究小组提出使用一种新型探测器，试图同时揭示暗物质的性质和星系的早期形成。 。
该团队的研究成果于 7 月 6 日发表在《自然天文学》上。
理解暗物质的一种方法是尝试通过小尺度结构的宇宙学观测来测量暗物质粒子的质量。但探测从未发生过恒星形成的小尺度结构是很困难的，尤其是在宇宙黎明期间。幸运的是，这些来自宇宙黎明的小结构内部和周围的原子氢气沿着地球和高红移射电点源之间的视线产生了 21 厘米的吸收线。这些吸收线统称为 21 厘米森林。
21厘米森林探测器是20多年来提出的一个理论概念，旨在探测宇宙黎明期间的气体温度和潜在的暗物质特性。到目前为止，科学家们还没有尝试实际使用该探测器，因为存在许多挑战，包括信号极弱、难以识别高红移背景源，以及暗物质粒子质量和热效应之间的简并性，这将阻止探测器限制第一星系的粒子质量或加热效应。
不过，最近发现了许多高红移射电强的类星体。此外，平方公里阵列 (SKA) 的建设——一项旨在建造世界上最大射电望远镜的国际倡议——于去年 12 月开始。这两项进展表明，使用 21 厘米森林探测器很快就会变得可行。
受到宇宙学探测器中广泛使用的功率谱分析的启发，NAOC 研究人员意识到，分别由暖暗物质效应和加热效应引起的信号的独特尺度依赖性可用于统计提取关键特征来区分这两种效应影响。
在这项研究中，研究人员提出了一种新颖的统计解决方案，通过测量 21 厘米森林的一维 (1-D) 功率谱，同时解决弱信号问题和简并问题。一维功率谱的幅度和形状揭示的信号尺度依赖性使得 21 厘米森林探测器成为同时测量暗物质特性和宇宙热历史的可行且有效的手段。
“通过测量21厘米森林的一维功率谱，我们不仅可以通过提高灵敏度使探测器真正可行，而且还提供了一种区分温暖暗物质模型和早期加热过程影响的方法，”该研究通讯作者徐益东说。“一石二鸟!”
在宇宙加热不太严重的情况下，SKA一期的低频阵列将能够有效约束暗物质粒子质量和气体温度。在宇宙加热更加严重的情况下，在 SKA 第 2 阶段利用多个背景电源将实现强大的探测能力。
21 厘米的森林提供了一种将暗物质限制在其他观测无法达到的红移范围内的可行方法。通过测量加热水平，21厘米的森林提供了一种限制第一个星系和第一个黑洞的光谱特性的方法，从而揭示宇宙中第一个明亮物体的本质。使用 21 厘米森林探测器将成为增进我们对早期宇宙的理解以及探究暗物质和第一个星系之谜的不可或缺的途径。
由于21厘米森林探测器的应用与高红移背景射电源的观测密切相关，下一步还将涉及在宇宙黎明时识别更多射电亮源(例如射电强类星体和伽马射线暴)余辉)可以在SKA时代跟进。
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