中国科学院国家天文台 李碧莹 编译自 Sarah Wild. Physics World，2026，(1)：28
本文选自《物理》2026年第3期
正如曼彻斯特大学Phil Bull所说：这是天文学中为数不多的重大前沿领域之一，而且事实证明，这是一个非常关键的宇宙历史时期，但目前我们实际上并不了解它。
在早期宇宙中有一个至关重要但令人困惑的时期——从大爆炸后的38万年到10亿年——宇宙的结构从简单变得复杂。为了揭开这层神秘的面纱，世界各地的实验，从澳大利亚到北极，都在竞相寻找来自最早的氢原子的特定信号。这个信号可以证实或推翻当前关于宇宙演化及其物理规律的理论。
氢是宇宙中最丰富的元素。当处于基态的中性氢原子改变状态时，它们可以发射或吸收光子。这种光谱跃迁可以产生波长为21cm的发射或吸收无线电信号。
尽管参与搜寻的团队逐年增多，但至今无人真正探测到这个信号。这场寻找宇宙第一缕曙光的竞赛将花落谁家？搜寻又是如何进行的呢？
大爆炸后38万年到10亿年是宇宙演化的关键时期，宇宙结构从简单走向复杂，尤其是大爆炸后略小于2.8亿年的时段，被剑桥大学Anastasia Fialkov称为“最后几个空白区域之一”。这一空白区衔接了早期简单宇宙与如今的复杂宇宙，涵盖宇宙黑暗时代结束、宇宙黎明和再电离时期。黑暗时代，宇宙中仅有中性氢和氦，无恒星发光；引力放大密度扰动后，原始气体聚集形成第一批恒星和星系，即宇宙黎明；随后，首批天体的辐射加热并电离氢原子，宇宙进入再电离时期。
天文学家正在寻找的21 cm信号源于氢原子的光谱跃迁，在黑暗时代，主要由氢的碰撞所激发；而到了宇宙黎明时期，则由第一批恒星发出的第一批光子所激发。然而，21 cm信号强度仅能依据宇宙微波背景辐射来测量，后者是稳定的21 cm光子背景源。
中性氢温度低于宇宙微波背景时，碰撞少，原子吸收21 cm光子多于发射，信号表现为吸收；温度高于背景时，原子发射光子多于吸收，信号表现为发射。吸收与发射速率由气体密度、温度以及第一批宇宙光源的辐射时间和强度决定。所以，21 cm信号记录了早期宇宙的演化信息。
科学家通过测量中性氢相对宇宙微波背景从吸收转为发射的过程，来寻找早期宇宙印记。21 cm信号的频率约为1420 MHz。然而，根据理论推测，这一古老信号在穿越宇宙“空白区”的旅程中，其发射与吸收强度会因宇宙不同演化阶段的影响而产生波动。宇宙膨胀也让该信号在传向地球的过程中波长变长，它如今的频率在1—200 MHz之间——频率越低，对应年代越古老——波长也从厘米级变为米级。
重要的是，早期宇宙的21厘米信号既可验证也可颠覆当前宇宙学主流冷暗物质模型。该信号极微弱，仅为宇宙微波背景黑体温度的0.1 K，无单一发射源，遍布宇宙。一般而言，现有理论模型已对这一信号可能的特征范围给出了十分明确的预测区间，如图1所示。
图1 跨越宇宙时空的21 cm信号 (a)天空平均(全局)信号随时间(横轴)和空间(纵轴)变化的模拟图；(b)典型的全球21 cm谱线模型，标注了主要的宇宙演化事件。每项搜寻全球21 cm信号的实验都专注于特定的频率波段。例如，宇宙氢分析射电实验(REACH)的关注范围是50—170 MHz(蓝色区域)
另外，宇宙中充满了污染，而科学家们要在亮度高出一百万倍的环境里，寻找这仅有0.1 K的微弱信号，使得这项测量对仪器校准、理论认知和模型精准度都提出来了极高要求。
2018年，EDGES实验声称探测到21 cm总强度信号。该仪器为乒乓球桌状偶极天线，架设在西澳大利亚的射频静默区，然而，其观测结果在随后7年里无人能复现。更令人意外的是，EDGES在78 MHz处观测到的信号凹陷，幅度是理论预测的两倍以上，且凹陷更宽更深，剑桥大学Lera Acedo认为，若该信号为真，需要全新的物理学理论来解释，然而，首要前提是确认该信号的真实性。
EDGES的发现掀起了宇宙学界的研究热潮，许多团队纷纷展开验证或全新探测。剑桥大学与南非斯泰伦博斯大学合作的REACH实验，聚焦50—170 MHz频段，在南非射电宁静区架设两类天线，置于巨型金属网状接地板上以减少地面干扰，其首席研究员Lera Acedo指出，信号搜寻需依托精准的宇宙学理论和工程技术，地面反射、校准误差、土壤杂散信号是主要障碍，需通过降低系统噪声、优化数据分析来剔除干扰。
另外，印度拉曼研究所的SARAS实验经多次改进，从地面天线改为水面漂浮的金属锥形天线，观测频段40—200 MHz。在EDGES公布结果后，SARAS将研究重点转向验证该结果。2022年其团队利用漂浮辐射计数据，最终得出不支持EDGES结论的结果。研究科学家Saurabh Singh表示，未探测到信号的结果同样重要，能排除大量理论模型，修正对早期恒星和星系特性的认知。
美国加州大学伯克利分校的科研人员也展开了多项探索。Raul Monsalve Jara自2012年参与EDGES项目，同时担任多国合作的MIST实验联合负责人，该实验观测频段25—105 MHz，采用简化仪器、移除金属接地板的方案，将小型便携设备送至加州、内华达沙漠及北极等偏远地区观测，并灵活更换观测点以减少环境干扰，团队还计划在智利开展更多观测。同校的Aaron Parsons则提出彻底消除地面干扰的思路，其设计的EIGSEP系统将天线悬挂在犹他州峡谷上方，四周留百米空旷空间，观测频段50—250 MHz，天线可旋转摆动以实现精准校准，并与地面天线协同观测，该项目已于去年投入使用。
未来一年，更多探测实验将投入运行。曼彻斯特大学的RHINO项目，利用摩天大楼上的金属网制成喇叭形接收器(具有利于校准、测量精准的优势)，初期设于卓瑞尔河岸天文台，后续将前往偏远地区探测。曾创立SARAS实验的Ravi Subrahmanyan，现正设计全新辐射计GINAN，观测频段40—160 MHz，搭载自校准天线，能更真实地测量天空信号。
与此同时，EDGES团队也在持续升级，由麻省理工学院海斯塔克天文台主导的Cappallo项目将其升级至第三代，设备仍为桌面大小，但改为盒式封闭结构，电子元件内置，配备更大金属接地板，研究团队已在加拿大群岛和阿拉斯加阿留申群岛开展观测(图2)。Cappallo表示，2018年的EDGES结果需经独立验证才能被学界认可，团队将在更多地点和环境下观测以提升可靠性，目前该团队虽能通过相同流程复现结果，但尚无其他团队能重现这一信号。一些天文学家支持新实验的开展，Aaron Parsons认为，多个团队用不同方法研究，才能形成共识，避免轻信单一测量结果。
图2 2024年，一套EDGES系统被部署至射电静默区阿留申群岛进行观测
由于地球大气层的电离层会扭曲干扰信号，且地面存在大量无线电噪声，部分天文学家将探测目标转向月球，尤其是月球背面，能完全避开地球的无线电干扰。Aaron Parsons参与了NASA的LuSEE-Night项目，该项目计划明年在月球着陆低频探测设备。2025年7月，Lera Acedo提出Cosmocube方案，将微型辐射计送入月球轨道，绕月搜寻21 cm信号。该项目目前仍在筹备中，至少十年内不会投入运行，但被认为是探测研究的重要一步。
当下，各团队仍在竞相探测这一难以捕捉的21 cm信号，随着仪器灵敏度提升、理论模型完善，未知因素正逐渐减少。Raul Monsalve Jara坚信，只要实验方法正确，人们终将找到这一信号。这场竞赛的核心问题，便是众多团队中谁的实验方案才是真正正确的那一个？
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