科学家们正在研究再电离纪元（EoR），这是第一批恒星和星系电离氢、照亮早期宇宙的时期。 研究人员利用南极望远镜的数据和模拟，旨在探测微弱的 kSZ 效应，这有助于了解再电离的时间和过程，尽管他们还没有找到信号。

研究人员正在利用南极望远镜的模拟和数据来探测微弱的 kSZ 效应，这是了解再电离纪元（即第一批恒星电离宇宙的时间）的关键。

想象一下回到宇宙的早期，特别是重电离纪元（EoR）的开始。 那是第一批恒星和星系形成的时候，它们的能量分离了构成宇宙的浓密、黑暗的原始氢气中的质子和电子，产生了电离气体气泡。

你的宇宙航行会在黑暗中发现许多这样的气泡，它们会生长、凝聚，电离出宇宙中的所有氢气，照亮黑暗，为我们今天所知的星系演化奠定了基础。

遗憾的是，科学家们无法制造出时间机器，带我们回到EoR。 但他们可以收集数TB的数据并进行模拟，从而深入了解早期宇宙和一个对理解星系的形成和演化至关重要的过程。

"这些最早的恒星具有很大的能量，当它们的紫外线质子与中性氢原子相互作用时，它们会从原子中喷射出一个电子，这就是宇宙重离子化的基本过程。"伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校国家超级计算应用中心（NCSA）天体物理勘测中心（CAPS）的博士后研究员里尼瓦桑-拉古纳坦介绍说。

这些在早期宇宙中移动的自由电子与宇宙微波背景（CMB）--宇宙大爆炸遗留下来的辐射--相互作用，提升了CMB的能量和亮度。 这种能量提升产生了所谓的动能苏尼亚耶夫-泽尔多维申（kSZ）效应，它是来自早期宇宙的微弱信号，让宇宙学家能够窥探时间，了解EoR所涉及的过程，以及它何时开始、持续了多久。

拉古纳坦领导一个多机构研究小组，利用从南极望远镜和赫歇尔空间天文台（Herschel Space Observatory）上的 SPIRE 仪器获得的数据，从 CMB 温度图中探测 kSZ 效应。 他们的研究成果最近发表在Physical Review Letters（物理学和宇宙学研究的重要期刊）上。 这项研究是南极望远镜合作项目正在进行的研究工作之一，该项目涉及全球 20 多个组织的约 100 名研究人员。

"寻找这个信号至关重要，因为通过它我们可以了解整个过程是如何发生的。但这个信号非常微弱。 因为是早期宇宙，它被埋藏在数据中许多其他东西的下面，包括宇宙微波背景本身。"

研究小组利用南极望远镜的数据--在亚毫米波段90、150和220千兆赫的频率上测量--进行了四点或三谱函数（测量系统中四点之间的相关性）分析，以寻找kSZ效应的非高斯性或斑块性。 当星系开始形成，整个宇宙发生再电离时，这种效应预计会给 CMB 带来轻微的能量提升（以温度衡量）。

拉古纳坦解释说："我们知道有许多星系呈斑块或气泡状，这些斑块之间应该存在某种相关性。我们正试图根据这些相关性来猜测我们的宇宙是如何实现的。"

模拟早期宇宙

为了帮助他们寻找 kSZ 信号，研究人员开发了高分辨率的宇宙计算机模拟，并以这些模拟为模板，努力从 CMB 中过滤掉无关信号和引力透镜效应（光绕着星系和宇宙中其他物质传播时的路径曲线）。 他们利用NCSA的伊利诺伊校园星簇进行了数百次模拟，模拟了他们的数据。

"我们有几兆兆字节的数据，我们想验证我们正在测量的东西。 因此，我们建立了早期宇宙的模拟。 我们做了很多很多模拟。"拉古纳坦解释说，模拟是为了"看清"宇宙中的这些早期信号是如何相互作用的，以及它们是如何进入被测量的三种频率的。"我们并不是在观察某个星系，然后说这就是我们的测量结果。 我们现在要做的是建立一个再电离纪元的统计模型。 我们知道有很多星系，或者说很多很多斑块，被卷入了大体积流中，因此这些斑块之间应该存在某种相关性，从而产生 kSZ 信号。 我们现在正试图根据这些相关性来猜测我们的宇宙是如何发生再电离的。"

尽管EoR产生的kSZ效应应该会给CMB带来一个小的提升，或者说辉光，但研究小组尚未在其数据中探测到这一信号，尽管如此，这一结果还是在探测早期宇宙和理解EoR方面向前迈出了重要的一步。

"我们没有探测到信号这一事实告诉我们，信号不可能高于某个振幅。信号必须低于这个特定的期望值，仅凭这一点，我们就可以排除很多再电离模型，比如早期和慢速模型，它们预测的kSZ信号可能是巨大的。"

设定EoR可能结束的时间上限，为科学家们继续研究早期宇宙和EoR提供了一个参数。 随着覆盖宇宙更大范围的新的高分辨率、低噪声数据集的出现，以及科学家们进行更多的多频率分析，他们将拼凑出再电离时代之谜，包括它何时开始，是突然发生还是缓慢发生，以及何时结束。

拉古纳坦说："正在进行的南极望远镜勘测还将持续几年，这将大大减少数据中的噪音，使数据越来越好。 名为 CMB-S4 的下一代地基宇宙微波背景实验将从南极和智利的望远镜收集勘测数据，这意味着更多的可用数据将覆盖更广阔的天空。 这意味着需要更多的数据处理和分析技术来搜索 kSZ 信号，并开始了解恒星照亮天空的那个时代。这项分析是迈向未来此类分析的关键性第一步。在不久的将来，我们希望能探测到这个信号。 我们知道它就在那里，而且发生了再电离。 现在我们想知道为什么，以及整个过程是如何发生的。"

编译自/SciTechDaily

DOI: 10.1103/PhysRevLett..121004