宇宙可能是從一聲巨響開始的，回聲遠去，此後需要相當長的時間，宇宙交響樂才開始。在第一次形成中性原子的宇宙微波背景（CMB）形成和第一顆恆星形成之間，有一億年的時間宇宙歸於黑暗。“黑暗時代”到目前為止還完全沒有被觀測到，但這種情況很快就會改變。
黑暗時代也許能回答許多緊迫的問題。在這一時期，宇宙的大部分質量是以輕原子（主要是氫）和暗物質的形式存在的。原子在引力的作用下緩慢地聚集起來，最後點燃了第一顆恆星。
在第一顆恆星出現之前，天體物理過程很少，而黑暗時代氫的分佈則攜帶著關於結構形成的非常清晰的信息。關於暗物質的行為和形成的結構的大小細節都編碼在這些氫雲中。但是我們怎麼能看到黑暗呢？
幸運的是，這些黑暗時代並不完全黑暗，只是非常暗淡。那時，充滿宇宙的氫原子經常碰撞在一起，這會使電子的自旋發生翻轉。電子的能量變化很小，能量取決於電子的自旋是與原子核的自旋對齊，還是指向相反的方向。這種非常小的能量差被稱為“超精細分裂”。將氫電子的自旋從對準狀態翻轉到反對準狀態，從而導致一個非常低能光子的發射。由於高能光子波長短，而低能光子波長長，這種超精細躍遷將產生波長為21釐米的光子。如果我們能追蹤這些21釐米光子的發射，我們就能追蹤氫的分佈。但21釐米是大約在130億年前發射的光子的波長。
從那以後，宇宙顯著膨脹，光子的波長也隨之拉長。波長被拉伸的程度取決於它是在黑暗時代的早期還是晚期發射的。同時，早期的光子被拉伸了約1000倍，導致現在它的波長有幾百米。在黑暗時代末期發射的光子並沒有被拉伸得那麼長，它們現在的波長“只有”幾米。
21釐米天文學最令人興奮的是，它不僅給我們提供了一個特定時刻的快照——就像CMB一樣——而且允許我們在黑暗時代連續繪製不同時期的地圖。通過測量不同波長的紅移光子，我們可以觀測整個時間段。這將給我們許多關於宇宙歷史的新見解。
圖解：左圖中顯示了宇宙黑暗時代末期的紅外光，已除去（前景）恆星。21釐米的天文學將能夠探測更遠的地方。右圖是前景天體。圖源：NASA/JPL Caltech/A.Kashlinsky（GSFC）。
人們還不清楚黑暗時代是如何結束的，以及第一顆恆星是如何形成的。黑暗時代止於再電離階段，在這個階段，強烈的紫外星光再次剝離其電子的中性氫。這種再電離被認為是由來自第一顆恆星的輻射引起的，但我們不知道這一過程究竟有多複雜。由於電離氫不能再發射出超精細線，21釐米天文學可揭秘電離區是如何形成的，以及許多關於早期恆星天體和星系間介質的行為。
21釐米天文學也能幫助解開暗物質之謎。如果暗物質自週年化，這會影響中性氫的分佈，而中性氫可以用來約束或排除某些暗物質模型。
圖解：宇宙中暗物質分佈的三維地圖。21釐米天文學將使我們能夠比用來製作這張地圖的弱透鏡技術更精細、更早地探測這一結構。圖源：NASA/ESA/Richard Massey（加州理工學院）。
膨脹模型也可以用這種方法來探索：21cm天文學能夠繪製的結構分佈帶有量子漲落的印記。這些波動取決於膨脹的場的類型及其勢的分佈。因此，在黑暗時代已經存在的結構相關性排除了某些膨脹類型。
也許最令人興奮的是，黑暗時代可能會讓我們窺見宇宙弦，一個具有高密度和高引力的一維物體。在弦現象學的許多模型中，宇宙弦可能在膨脹結束、黑暗時代開始之前產生。通過扭曲氫雲，宇宙弦在21釐米發射光譜中留下特徵信號。
但是測量這個波長的光子並不容易。銀河系也有這樣的輻射源，這就產生了一個不可避免的銀河系前景，必須加以解析和刪減。此外，地球大氣層會使信號失真，一些無線電廣播會干擾測量。儘管如此，天文學家們已經迎接了挑戰，第一架尋找早期宇宙21釐米信號的望遠鏡已經投入使用。
圖解：Murchison寬場陣列（MWA）中的一個模塊。圖源：Natasha Hurley-Walker博士。
低頻陣列（LOFAR）於2012年底上線。它的主望遠鏡位於荷蘭，但它結合了歐洲其他24個望遠鏡的數據，對30米大小的波長非常敏感。澳大利亞的Murchison Widefield陣列（MWA）對幾米波長敏感，2013年開始採集數據。而在2025年，平方公里陣列計劃落成。這個澳大利亞和南非的聯合項目將是世界上最大的射電望遠鏡。
天文學家的理想依然是徹底消除地球大氣造成的誤差。他們最雄心勃勃的計劃是在月球的遠端安裝一系列望遠鏡。但不幸的是，這個想法很牽強——更不用說資金不足了。
圖解：ESO/M.Kornmesser，CR7，第一個被認為是星族Ⅲ聚居地的星系，宇宙中第一顆恆星可能誕生於此。
幾十年前，宇宙學還是一門缺乏數據的學科，許多人認為它更接近哲學而不是科學。今天，它是一個基於高精度測量的研究領域，其數據覆蓋了整個電磁頻譜。科技的進步和我們對宇宙歷史的理解一直是驚人的，但我們才剛剛開始。接下來才是有諸多信息要挖掘的“黑暗時代”。
作者: Sabine Hossenfelder
FY: 也麼
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