在明亮的射电天空下寻找早期宇宙的氢

早期的氢给我们送来什么

氢原子里的电子翻转一次自旋，就会发出或吸收一束波长21厘米的无线电波，频率是1420兆赫。第一批星系之间充满了氢气，靠这条谱线，可以给那些还没形成恒星的气体画图。电波在路上会被宇宙膨胀拉长。红移8时，宇宙中一切距离都只有今天的九分之一。那时从氢出发的电波到达地球，频率约为159兆赫，比调频广播略高一点。

这些气体是衬着微波背景被看见的。微波背景是宇宙里最古老的光。氢比背景冷，就吸收一部分背景光，看上去发暗；比背景热，就多添一点亮。第一批恒星的光决定氢原子跟气体温度贴得多紧，早期黑洞和恒星遗骸发出的X射线则会把气体加热。最后留下的明暗差只有几十毫开，也就是几十个千分之一开尔文。Furlanetto, Oh and Briggs 2006, §2.3 and §3.2

天空为什么把它淹没

银河系磁场里打转的高速电子，让整片天空都发出射电辐射，这叫同步辐射。在这些频率上，即使最安静的天区也有两百开左右。一个常用的经验估计是：180兆赫处约180开，频率越低越亮。Furlanetto, Oh and Briggs 2006, §9.1.1 换到159兆赫约为250开，而氢的明暗差只有0.02开左右。挡在信号前面的这些辐射，射电天文学里统称为前景。

单靠把图画得更精细并不管用。前景和氢在同一个方向，也落在同样的频率上。

救命的那一点差别

前景随频率变化很平滑。159兆赫和160兆赫的同步辐射来自银河系里同一批电子，亮度只差一点，而且差多少可以预料。氢不一样。频率每挪一兆赫，视线就在早期宇宙里往前推进约5000万光年，碰到的是另一团或稠或稀的气体，谱里属于氢的那部分于是坑坑洼洼。

好比一阵很响、很稳的嗡嗡声上叠着细微的噼啪声。嗡嗡声关不掉，但可以只听那些比嗡嗡声变得更快的声音。射电阵列做的是同一件事，只不过把时间换成了频率。

两台天线怎样给天空分类

干涉仪把相隔一定距离的两台天线的信号合在一起。从侧面来的电波先到一台，稍后才到另一台，这个时间差叫时延。源在地平线上时时延最大，等于天线间距除以光速。两台天线相距14.6米时，最大时延约49纳秒。Parsons et al. 2012, §2.1

把测到的谱按时延重新排一遍，平滑的前景就留在短时延里，不越过这条地平线界限；坑坑洼洼的氢却能铺到长时延。基线越长，地平线时延越大。画一张时延对天线间距的图，前景就填满一个楔形，楔形上方是一块比较干净的窗口。

真实的仪器会把边界弄模糊。电缆里的回波、有限的频带宽度，还有随频率改变灵敏方向的天线，都会给谱添上结构，把一部分前景推到地平线以外。HERA的第一次分析没有减去任何前景模型，而是在地平线外再留200纳秒的余量，只用更长的时延。HERA Collaboration 2022, §4.3

HERA目前得到了什么

HERA还没有探测到这个信号。它用18个夜晚的数据给出了上限：在红移7.9处，对每隔约1.6亿光年重复一次的起伏，氢的亮温起伏小于约31毫开；在红移10.4处，上限约为96毫开。HERA Collaboration 2022, §4.4

上限本身也有分量。如果宇宙大爆炸之后气体从没被加热过，到红移8时它会冷得很，投下又深又斑驳的暗影。HERA团队指出，在标准的早期星系模型下，这些上限不支持这样冷的宇宙：那时已经有东西把气体加热到了单靠冷却达不到的温度。HERA Collaboration 2022, §1

接下来的课程会用数字把每一步走一遍：氢为什么发亮或变暗、一条基线怎样分出前景，以及一个已发表的上限是怎样得来的。