由曼彻斯特大学和西开普大学研究人员领导的国际团队，利用南非的MeerKAT射电望远镜测量了中性氢的发射，这些中性氢可追溯至宇宙比现在年轻数十亿年的时期。
研究结果发表在《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）上，突显了氢强度图谱技术日益增长的潜力，该技术旨在比依赖单独识别星系的方法更高效地勘测广阔的太空区域。
利用氢绘制宇宙图谱
中性氢自然会发出一种非常微弱的射电辐射，被称为21厘米谱线。由于宇宙正在膨胀，该信号在穿越太空时会被拉伸至更长的波长。通过测量这种偏移，天文学家可以研究宇宙历史不同时期的氢。
氢强度图谱技术利用该信号的方式不同于传统的星系巡天。天文学家不再试图逐一识别和测量单个星系，而是探测大量无法单独分辨的星系中氢所产生的综合射电辉光。
这种方法使得检查巨大的空间体积并重建物质在宇宙中分布的三维视图成为可能。
以往在这些距离上对氢的可靠测量通常要求天文学家将射电望远镜观测与光学星系巡天数据相结合。而在本研究中，研究人员能够仅利用MeerKAT射电观测数据直接识别出氢强度图谱信号。
来自数十亿年前的信号
研究人员分析了约96小时的MeerKAT观测数据，发现了来自宇宙历史两个不同时期的信号。这些辐射在到达地球之前已经传播了大约40亿至50亿年。
这些测量使团队能够追踪跨越数百万光年距离的氢，这一距离大致相当于银河系与邻近的仙女座星系之间的间隔。
“这是一个非常令人兴奋的里程碑，”该研究的第一作者Sourabh Paul博士说。“长期以来，氢强度图谱一直被视为绘制宇宙图谱的高效方法，但该信号极其微弱，很难从前景辐射、人为射频干扰和仪器效应中分离出来。利用MeerKAT直接探测到它表明，这项技术正在成为宇宙学的实用工具。”
提取如此微弱的信号要求研究人员仔细考虑许多可能扭曲测量结果的不同干扰源。
“这是一个极具挑战性的数据分析过程，需要对可能影响如此微弱测量的许多污染源有详细的了解，”Santos教授补充道。“特别值得注意的是，本研究中使用的数据是在2018年采集的，当时MeerKAT才刚刚开始科学运行。现在有丰富的MeerKAT数据宝库等待利用这种方法进行探索。”
研究星系演化的新工具
据研究人员称，这些结果为测量宇宙学距离上的中性氢以及研究星系在宇宙历史中如何形成和变化创造了新机会。
该研究的合著者陈兆廷（Zhaoting Chen）博士表示：“中性氢是理解星系如何形成和演化的关键成分之一。”
“利用强度图谱，我们不需要探测每一个单独的星系。相反，我们可以测量跨越巨大宇宙体积的氢的集合信号，这为我们研究星系演化和宇宙潜在物质分布提供了一种新途径。”
此次成功探测对即将进行的宇宙学巡天也可能具有重大意义。氢强度图谱预计将成为平方公里阵列天文台（SKAO）的一个重要科学焦点。MeerKAT是该设施的前导望远镜。
为平方公里阵列做准备
来自曼彻斯特大学的研究合著者Laura Wolz教授补充道：“MeerKAT不断为宇宙学开启新的窗口。能够从最初并非为氢强度图谱设计的观测中提取出这一信号，这一点非常令人鼓舞。它显示了MeerKAT数据的巨大科学价值，并为未来利用SKAO进行的观测指明了方向。”
未来对更大片天空进行更长时间观测的研究，应能让天文学家以更高的精度绘制中性氢图谱。
这些观测可以帮助研究人员了解星系是如何发展的，确定暗物质如何影响宇宙网，并重建宇宙在数十亿年间是如何变化的。