宇宙可能是从一声巨响开始的，回声远去，此后需要相当长的时间，宇宙交响乐才开始。在第一次形成中性原子的宇宙微波背景（CMB）形成和第一颗恒星形成之间，有一亿年的时间宇宙归于黑暗。“黑暗时代”到目前为止还完全没有被观测到，但这种情况很快就会改变。
黑暗时代也许能回答许多紧迫的问题。在这一时期，宇宙的大部分质量是以轻原子（主要是氢）和暗物质的形式存在的。原子在引力的作用下缓慢地聚集起来，最后点燃了第一颗恒星。
在第一颗恒星出现之前，天体物理过程很少，而黑暗时代氢的分布则携带着关于结构形成的非常清晰的信息。关于暗物质的行为和形成的结构的大小细节都编码在这些氢云中。但是我们怎么能看到黑暗呢？
幸运的是，这些黑暗时代并不完全黑暗，只是非常暗淡。那时，充满宇宙的氢原子经常碰撞在一起，这会使电子的自旋发生翻转。电子的能量变化很小，能量取决于电子的自旋是与原子核的自旋对齐，还是指向相反的方向。这种非常小的能量差被称为“超精细分裂”。将氢电子的自旋从对准状态翻转到反对准状态，从而导致一个非常低能光子的发射。由于高能光子波长短，而低能光子波长长，这种超精细跃迁将产生波长为21厘米的光子。如果我们能追踪这些21厘米光子的发射，我们就能追踪氢的分布。但21厘米是大约在130亿年前发射的光子的波长。
从那以后，宇宙显著膨胀，光子的波长也随之拉长。波长被拉伸的程度取决于它是在黑暗时代的早期还是晚期发射的。同时，早期的光子被拉伸了约1000倍，导致现在它的波长有几百米。在黑暗时代末期发射的光子并没有被拉伸得那么长，它们现在的波长“只有”几米。
21厘米天文学最令人兴奋的是，它不仅给我们提供了一个特定时刻的快照——就像CMB一样——而且允许我们在黑暗时代连续绘制不同时期的地图。通过测量不同波长的红移光子，我们可以观测整个时间段。这将给我们许多关于宇宙历史的新见解。
图解：左图中显示了宇宙黑暗时代末期的红外光，已除去（前景）恒星。21厘米的天文学将能够探测更远的地方。右图是前景天体。图源：NASA/JPL Caltech/A.Kashlinsky（GSFC）。
人们还不清楚黑暗时代是如何结束的，以及第一颗恒星是如何形成的。黑暗时代止于再电离阶段，在这个阶段，强烈的紫外星光再次剥离其电子的中性氢。这种再电离被认为是由来自第一颗恒星的辐射引起的，但我们不知道这一过程究竟有多复杂。由于电离氢不能再发射出超精细线，21厘米天文学可揭秘电离区是如何形成的，以及许多关于早期恒星天体和星系间介质的行为。
21厘米天文学也能帮助解开暗物质之谜。如果暗物质自周年化，这会影响中性氢的分布，而中性氢可以用来约束或排除某些暗物质模型。
图解：宇宙中暗物质分布的三维地图。21厘米天文学将使我们能够比用来制作这张地图的弱透镜技术更精细、更早地探测这一结构。图源：NASA/ESA/Richard Massey（加州理工学院）。
膨胀模型也可以用这种方法来探索：21cm天文学能够绘制的结构分布带有量子涨落的印记。这些波动取决于膨胀的场的类型及其势的分布。因此，在黑暗时代已经存在的结构相关性排除了某些膨胀类型。
也许最令人兴奋的是，黑暗时代可能会让我们窥见宇宙弦，一个具有高密度和高引力的一维物体。在弦现象学的许多模型中，宇宙弦可能在膨胀结束、黑暗时代开始之前产生。通过扭曲氢云，宇宙弦在21厘米发射光谱中留下特征信号。
但是测量这个波长的光子并不容易。银河系也有这样的辐射源，这就产生了一个不可避免的银河系前景，必须加以解析和删减。此外，地球大气层会使信号失真，一些无线电广播会干扰测量。尽管如此，天文学家们已经迎接了挑战，第一架寻找早期宇宙21厘米信号的望远镜已经投入使用。
图解：Murchison宽场阵列（MWA）中的一个模块。图源：Natasha Hurley-Walker博士。
低频阵列（LOFAR）于2012年底上线。它的主望远镜位于荷兰，但它结合了欧洲其他24个望远镜的数据，对30米大小的波长非常敏感。澳大利亚的Murchison Widefield阵列（MWA）对几米波长敏感，2013年开始采集数据。而在2025年，平方公里阵列计划落成。这个澳大利亚和南非的联合项目将是世界上最大的射电望远镜。
天文学家的理想依然是彻底消除地球大气造成的误差。他们最雄心勃勃的计划是在月球的远端安装一系列望远镜。但不幸的是，这个想法很牵强——更不用说资金不足了。
图解：ESO/M.Kornmesser，CR7，第一个被认为是星族Ⅲ聚居地的星系，宇宙中第一颗恒星可能诞生于此。
几十年前，宇宙学还是一门缺乏数据的学科，许多人认为它更接近哲学而不是科学。今天，它是一个基于高精度测量的研究领域，其数据覆盖了整个电磁频谱。科技的进步和我们对宇宙历史的理解一直是惊人的，但我们才刚刚开始。接下来才是有诸多信息要挖掘的“黑暗时代”。
作者: Sabine Hossenfelder
FY: 也么
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