陈学雷：出人意料的宇宙黎明之冷(5)

这一实验已进行了十多年, 期间他们也不断改进设计，并多次发表论文，给出了当时最好的实验限制。然而他们此次发表的论文，却首次给出了轰动天文界的探测结果：他们在78MHz探测到了一个吸收谱信号，而这一频率对应红移17，这正是理论上预言的宇宙黎明时代。

图6. 测量结果，不同颜色的线是不同的实验装置或处理方案，粗黑线（H2）是信噪比最高的一个。

但是，他们的观测结果也让人感到困惑：探测到的吸收信号的幅度比理论预期的最大信号都还要强！要产生如此强的吸收信号，必须要求宇宙黎明时代的气体比理论预期的更冷。

此前宇宙学理论家们除了标准宇宙模型外，也考虑过很多种非标准模型，比如暗物质如果可以衰变，或者如果黑暗时期的宇宙中潜伏着一些大爆炸时形成的原始黑洞，这些都可以比第一代恒星更早地释放Lyman alpha光子，从而改变21cm吸收谱出现的位置和强度。但问题是，现在观测到的吸收谱出现的位置正对应着标准模型中宇宙黎明的时刻，而且以前这些非标准模型也都不能使宇宙气体比标准模型更冷。实际上，理论上要使气体比标准模型更热一些不难，但要使其更冷则很不容易！

为了解释这一现象，以色列宇宙学家Rennen Barkana在同一期Nature上发表了一篇论文，精心构造了一种可能使宇宙黎明气体更冷一些的理论机制[3]。我们宇宙中除了普通物质外，还存在大量的暗物质。通常，我们假定除了万有引力之外，这些暗物质与普通物质的相互作用非常微弱。现在，Barkana假定这些暗物质与普通物质之间有一些不那么微弱的相互作用。

这些暗物质在大爆炸中退耦（注：在宇宙早期，由于密度很高，各种不同物质组分如暗物质、普通物质、光子、中微子等都频繁相互作用，交换能量，耦合在一起并具有相同的温度，但随着宇宙膨胀、密度降低，暗物质、中微子等与其它物质相互作用比较弱的组分就脱离了与重子、光子的耦合独立演化，这种过程称为退耦。到最后等离子体复合后，光子组分也与重子组分脱离耦合。为了形成我们观测到的大尺度结构，暗物质粒子在退耦时其运动速度必须远远小于光速，这种情况下随着宇宙膨胀，暗物质温度下降的速度比光子快得多，因此其退耦越早，温度就会越低）较早，因此比普通物质更冷一些。但由于它和普通物质之间存在一些相互作用，因此它会对普通物质气体产生冷却，从而使其温度降低。为了使普通气体能把热量传给暗物质，这要求暗物质粒子不能太重——我们如果用一个乒乓球去撞另一个乒乓球，它会把很大一部分能量传给另一个乒乓球，但如果用乒乓球去撞铅球，则传递的能量微乎其微，所以这种机制要求暗物质粒子不能比氢原子重太多。