宇宙的再电离是星系形成与演化的关键阶段，也是至今人类所认知的宇宙演化历史中的一块空白。最近的一项研究利用罕见的类星体对发出的光来探测小尺度上的宇宙网结构，为再电离时期的物理提供了重要线索。

撰文 Julie Cohen

编译 卓思琪

审校 朱梦轩 金庄维

遥远的星际空间可能是我们已知的最贫瘠的地方。在那些空旷的区域，每立方米大约只有一个孤独的原子——这些弥散在空间中的氢气薄雾是宇宙大爆炸留下的。在大尺度上，这些氢气排列成被称为“宇宙网”的纤维状结构：纠缠在一起的丝状结构跨越数十亿光年，并包罗了宇宙中大多数的原子。

如今，一个天文学家团队首次利用罕见的类星体对对原始氢气中的小尺度“涟漪”进行了测量。尽管他们所研究的宇宙网区域在约 110 亿光年以外，但他们仍然可以测量宇宙网结构在小尺度上的变化，这个尺度约为单个星系范围的十万分之一。该研究结果发表在Science上（论文信息见文末）。

星际气体十分稀薄，它们自身无法发出光芒。因此，天文学家们通过观测星际气体对远处的类星体光芒的选择性吸收，间接地对它们进行研究。类星体是星系寿命中一个短暂的超高亮度阶段，由落入星系中心大质量黑洞的物质驱动发光。类星体就像是宇宙中的灯塔，它们明亮、照射距离远，天文学家能够利用类星体的光芒来研究类星体与地球间存在的星际原子。但由于类星体非常“短命”，因而十分罕见，且彼此分散，相距数亿万光年之遥。

该图示意了利用罕见的类星体对发出的光来探测小尺度上的宇宙网结构。（版权：J. Onorbe / MPIA）

为了在更小的尺度上探索宇宙网，天文学家意外地发现了一种宇宙巧合。他们“识别”出了非常罕见的类星体对，来自这对类星体的光线在方向上略有差别。通过测量星际气体在这两个方向上的吸收光谱之间的微妙差别，研究人员便能得到宇宙网在小尺度上的“涟漪”（如图）。

“类星体对非常罕见，寻找它们如同大海捞针。”UCSB 物理系副教授 Joseph Hennawi 说道。他开创性地将“机器学习”的算法用于高效寻找类星体对。“为了寻找它们，我们仔细梳理了数十亿的星体的图像。这些星体非常黯淡，亮度只有裸眼可见的百万分之一。”

当类星体对被确认之后，研究人员便利用大型望远镜对它们进行观察，其中便包括夏威夷岛莫纳克亚山上的十米口径的凯克（Keck）望远镜。

论文第一作者、剑桥大学博士后研究员 Alberto Rorai 表示，量化所测数据中的细微差别需要建立数学统计工具，这是该研究中的一大挑战。Alberto Rorai 在博士期间开发了这些数学工具，并把它们应用在了和 Hennawi 等人合作进行的类星体谱研究中。

天文学家将他们的测量数据与使用超级计算机进行的模拟结果进行比较。在普通的笔记本电脑上，复杂的模拟计算需要花费 1000 年才能完成，但超级计算机却能将时间缩短至数周。

“我们‘输入’物理定律后就能得到可直接与天文数据进行比较的人工宇宙（数据）。”马普所天文学博士后研究员 Jose Oñorbe（论文合作作者）说道，“我很高兴看到测量数据和宇宙结构形成的成熟理论相吻合。”

“小尺度波动中包含了有趣的信息——它和大爆炸数十亿年后宇宙网中的气体温度有关。” Hennawi 解释道。

天文学家认为，宇宙诞生初期，物质经历相变，从而极大地改变了宇宙的温度。所谓的“再电离（reionization）”就是一次重要相变，它发生在大爆炸宇宙学的黑暗期之后，那时恒星和类星体的紫外能量足够高，能够电离星际空间中比较稀薄的气体。随着星系的不断形成，电离区逐渐扩大并相互连结。当电离区覆盖整个宇宙中的星系际介质时，再电离完成。但是再电离究竟发生在什么时刻？它是如何发生的？这些仍然是宇宙学中的未解之谜。如今的新观测为这些问题提供了重要的线索，帮助我们揭开宇宙历史的神秘面纱。

参考来源

论文基本信息

【论文题目】Measurement of the small-scale structure of the intergalactic medium using close quasar pairs

【论文作者】Alberto Rorai, Joseph F. Hennawi, Jose Oñorbe, Martin White,J. Xavier Prochaska,Girish Kulkarni,Michael Walther,Zarija Lukić,Khee-Gan Lee

【期刊】 Science

【日期】2017.4.28

【DOI】10.1126/science.aaf9346

【摘要】The distribution of diffuse gas in the intergalactic medium (IGM) imprints a series of hydrogen absorption lines on the spectra of distant background quasars known as the Lyman-α forest. Cosmological hydrodynamical simulations predict that IGM density fluctuations are suppressed below a characteristic scale where thermal pressure balances gravity. We measured this pressure-smoothing scale by quantifying absorption correlations in a sample of close quasar pairs. We compared our measurements to hydrodynamical simulations, where pressure smoothing is determined by the integrated thermal history of the IGM. Our findings are consistent with standard models for photoionization heating by the ultraviolet radiation backgrounds that reionized the universe.

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