21厘米宇宙學領域競爭激烈 用“21厘米”破解暗能量的本質

7月6日，由我國科學家參與的國際合作宇宙學項目——BINGO正式啟動。該項目首席科學家、揚州大學王斌教授在接受科技日報記者采訪時說：“我們將與全球科學家一起建造觀測來自深空的中性氫氣體的射電望遠鏡，通過對宇宙不同演化時期中性氫氣體21厘米線輻射的精確觀測，揭示宇宙演化物理本質以及暗能量本質。”

伴隨著技術進步，人類對宇宙中性氫氣體的21厘米線進行精確觀測已成為可能，21厘米宇宙學正快速進入人們的視野，成為天文學家探索宇宙大尺度結構、暗物質分布、暗能量狀態方程的強有力工具。

宇宙大尺度結構的“錄音記錄”

宇宙中存在大量中性氫氣體，這些氣體中的氫原子基態能級超精細結構之間的躍遷會產生電磁波波長為21厘米的線輻射(中性氫21厘米線)，是研究宇宙結構和演化的有力工具。伴隨著技術進步，著重于對中性氫21厘米線開展觀測研究的21厘米宇宙學已逐漸進入人們的視野，標志著研究宇宙大尺度結構、暗物質和暗能量的一個嶄新時代即將全面開啟。

王斌介紹，暗能量的本質是當代自然科學中的重大難題，同時也是極有可能孕育新物理發現的最前沿科研問題之一。BINGO項目名稱的含義，即是通過對宇宙中中性氫氣體的觀測來捕捉重子聲學振蕩信號(BAO)。

標準重子聲學振蕩被喻為宇宙大尺度結構的“錄音記錄”，是測量宇宙大尺度結構的尺，通過探測不同紅移處的重子聲學振蕩，科學家可以測量宇宙膨脹率隨時間的變化，從而精確測量暗能量狀態方程等關鍵宇宙學參數，揭示宇宙加速膨脹的奧秘。

王斌告訴記者，與其他項目相比，BINGO所關注的紅移區間有所不同，更注重于宇宙開始加速膨脹后的時期(即大爆炸之后9億年以來的時期)。特別是通過一種有效的巡天方式——強度映射巡天(Intensity Mapping)，BINGO可以以極高的效率獲得中性氫在大尺度上的分布，聚焦于揭示重子聲學振蕩現象和暗能量的物理本質。

21厘米宇宙學領域競爭激烈

“目前，國際上已經建成和正在設計建造的一系列大型射電望遠鏡設備都瞄準了21厘米宇宙學，這標志著宇宙學的新時代正在開啟。”王斌說，近年來，包括我國的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)等在內的數個單口徑天文望遠鏡項目，也先后加入了21厘米宇宙學領域的競爭。此類射電望遠鏡設施擁有顯著優勢，可實現相對快速的巡天觀測。

目前所有對于重子聲學振蕩的測量都是通過光學手段，也就是使用光學望遠鏡，在較低紅移處得到的，受儀器探測能力和系統誤差影響較大。觀測21厘米線使用的是射電望遠鏡。射電觀測被認為是未來探測更遙遠宇宙中物質分布的有力手段之一。通過觀測宇宙中最常見的成分中性氫在原子基態能級改變時以21厘米波長發出的電磁輻射，可以精確測量中性氫分布的功率譜。中性氫射電觀測所依賴的示蹤物不同于光學觀測，可拓寬重子聲學振蕩觀測的紅移范圍。

而BINGO項目則是利用射電波，通過對宇宙中中性氫氣體的觀測來捕捉重子聲學振蕩信號，從而可以更好地揭示暗能量的本質。

BINGO項目的建設和運行不僅對空間科學、物理學、天文學等學科的科學研究、隊伍建設和人才培養具有非常重要的意義，也將有力促進信息、電子、機械等相關學科的進一步融合交叉，提升這些學科的創新能力，優化交叉型新工科人才的培養，對于我國開展相關領域的科學研究起到重要的推動作用。

這項計劃獲得巴西、英國、法國、瑞士及中國國家自然科學基金委重點項目支持。其中，我國科學家團隊主要承擔BINGO理論模板、強前景干擾扣除算法、望遠鏡基建等核心任務，以及開展相關科學研究。(過國忠)