清华大学“新世界·新视野“”天文公众系列讲座第二十二讲:宇宙的黑暗时代与黎明

 

清华大学“新世界·新视野”天文公众系列讲座第二十二讲:宇宙的黑暗时代与黎明于2018年5月11日晚在主楼后厅举行。本次讲座主讲人是中国科学院国家天文台研究员陈学雷老师。讲座吸引了全校师生和社会各界人士500多人前来聆听。

 

 

宇宙的黑暗时代是指宇宙从大爆炸到第一代发光天体形成之间,宇宙沉浸在一片黑暗之中的时期,大约持续38万年。直到第一代恒星形成,宇宙才走到了黎明之门。经过约1.8亿年的黎明时代和约2.5亿年的黑洞吸积时期,宇宙进入了再电离时代,恒星发出的紫外光导致周围气体电离,形成电离区。然而由于星系内部气体密度很高,还有部分大爆炸时期形成的中性氢原子未被电离。这些氢原子产生特殊的21cm波长的谱线,观测这种信号能够极大帮助我们透视宇宙幽远的过去。

陈学雷老师以被喻为“宇宙尽头的餐桌”EDGES实验切入主题,开始了宇宙历史的饕餮之宴。在用哈勃深场,星系的相互作用和演化,基于观测谱线研究的星系红移现象和对宇宙膨胀的预言,原生火球理论,宇宙大爆炸与核合成,宇宙中元素的来源,宇宙微波背景辐射等宇宙学基本知识做了丰盛的预先铺垫后,陈老师将我们引入目前的宇宙演化历史理论,以及宇宙结构形成理论和数值模拟等现代宇宙学知识。后来的第一代恒星都怎样了?黑暗时代到底发生了什么?陈老师以自然的问题和清晰的时间线娓娓道来,最终讲解到科学重要性可与引力波研究并肩的21cm谱线探测。

接着,讲座呈现了世界各地包括EDGES的针对21cm观测的实验:LOFAR,MWA,中国的21CMA...以及相应的尖端数据处理技术,信号收集和提取的预测情形,困难和解决提案等。遗憾的是,21cm谱线到现在尚无强有力的观测证据。部分观测数据在分析过21cm吸收和发射信号的物理机制和现有宇宙学模型预言后,出现了简单的黎明模型无法解释的不能契合之处,这也是一个目前大量新的理论涌现试图解决的问题。同时,对电磁频谱中最后一片处女地——10MHz以下以及10MHz-100MHz的电磁信号的探索计划也是宇宙学的前沿方向,其中包括DSL(Discovering Sky at Longest wavelength)计划等。

 

 

随后,陈学雷老师与听众进行了交流互动。讲座听众提问踊跃,有听众要求对信号曲线的一些细节做物理解释,有航天科技集团的成员对科研卫星技术通讯方面的技术要求感兴趣,更有很多听众对宇宙大爆炸和宇宙演化理论模型本身提出疑问,其中不乏可爱的小朋友。陈老师一一耐心作出详细通俗的解释,基于科学哲学或当前科学理论与实验做了辩证分析,普及了大爆炸理论的常见误解,等等;对于和讲座关系不太大的暗物质和引力波等话题,也做了翔实的讲解。同时,对于一些尚无法回答的问题,陈老师幽默地承认了未知,但仍然介绍了目前已有的猜测,并对相关的科学研究给予了回顾和希望。