宇宙黎明：追尋21 cm信號

中國科學院國家天文臺 李碧瑩 編譯自 Sarah Wild. Physics World，2026，(1)：28

本文選自《物理》2026年第3期

正如曼徹斯特大學Phil Bull所說：這是天文學中為數不多的重大前沿領域之一，而且事實證明，這是一個非常關鍵的宇宙歷史時期，但目前我們實際上并不了解它。

在早期宇宙中有一個至關重要但令人困惑的時期——從大爆炸后的38萬年到10億年——宇宙的結構從簡單變得復雜。為了揭開這層神秘的面紗，世界各地的實驗，從澳大利亞到北極，都在競相尋找來自最早的氫原子的特定信號。這個信號可以證實或推翻當前關于宇宙演化及其物理規律的理論。

氫是宇宙中最豐富的元素。當處于基態的中性氫原子改變狀態時，它們可以發射或吸收光子。這種光譜躍遷可以產生波長為21cm的發射或吸收無線電信號。

盡管參與搜尋的團隊逐年增多，但至今無人真正探測到這個信號。這場尋找宇宙第一縷曙光的競賽將花落誰家？搜尋又是如何進行的呢？

大爆炸后38萬年到10億年是宇宙演化的關鍵時期，宇宙結構從簡單走向復雜，尤其是大爆炸后略小于2.8億年的時段，被劍橋大學Anastasia Fialkov稱為“最后幾個空白區域之一”。這一空白區銜接了早期簡單宇宙與如今的復雜宇宙，涵蓋宇宙黑暗時代結束、宇宙黎明和再電離時期。黑暗時代，宇宙中僅有中性氫和氦，無恒星發光；引力放大密度擾動后，原始氣體聚集形成第一批恒星和星系，即宇宙黎明；隨后，首批天體的輻射加熱并電離氫原子，宇宙進入再電離時期。

天文學家正在尋找的21 cm信號源于氫原子的光譜躍遷，在黑暗時代，主要由氫的碰撞所激發；而到了宇宙黎明時期，則由第一批恒星發出的第一批光子所激發。然而，21 cm信號強度僅能依據宇宙微波背景輻射來測量，后者是穩定的21 cm光子背景源。

中性氫溫度低于宇宙微波背景時，碰撞少，原子吸收21 cm光子多于發射，信號表現為吸收；溫度高于背景時，原子發射光子多于吸收，信號表現為發射。吸收與發射速率由氣體密度、溫度以及第一批宇宙光源的輻射時間和強度決定。所以，21 cm信號記錄了早期宇宙的演化信息。

科學家通過測量中性氫相對宇宙微波背景從吸收轉為發射的過程，來尋找早期宇宙印記。21 cm信號的頻率約為1420 MHz。然而，根據理論推測，這一古老信號在穿越宇宙“空白區”的旅程中，其發射與吸收強度會因宇宙不同演化階段的影響而產生波動。宇宙膨脹也讓該信號在傳向地球的過程中波長變長，它如今的頻率在1—200 MHz之間——頻率越低，對應年代越古老——波長也從厘米級變為米級。

重要的是，早期宇宙的21厘米信號既可驗證也可顛覆當前宇宙學主流冷暗物質模型。該信號極微弱，僅為宇宙微波背景黑體溫度的0.1 K，無單一發射源，遍布宇宙。一般而言，現有理論模型已對這一信號可能的特征范圍給出了十分明確的預測區間，如圖1所示。

圖1 跨越宇宙時空的21 cm信號 (a)天空平均(全局)信號隨時間(橫軸)和空間(縱軸)變化的模擬圖；(b)典型的全球21 cm譜線模型，標注了主要的宇宙演化事件。每項搜尋全球21 cm信號的實驗都專注于特定的頻率波段。例如，宇宙氫分析射電實驗(REACH)的關注范圍是50—170 MHz(藍色區域)

另外，宇宙中充滿了污染，而科學家們要在亮度高出一百萬倍的環境里，尋找這僅有0.1 K的微弱信號，使得這項測量對儀器校準、理論認知和模型精準度都提出來了極高要求。

2018年，EDGES實驗聲稱探測到21 cm總強度信號。該儀器為乒乓球桌狀偶極天線，架設在西澳大利亞的射頻靜默區，然而，其觀測結果在隨后7年里無人能復現。更令人意外的是，EDGES在78 MHz處觀測到的信號凹陷，幅度是理論預測的兩倍以上，且凹陷更寬更深，劍橋大學Lera Acedo認為，若該信號為真，需要全新的物理學理論來解釋，然而，首要前提是確認該信號的真實性。

EDGES的發現掀起了宇宙學界的研究熱潮，許多團隊紛紛展開驗證或全新探測。劍橋大學與南非斯泰倫博斯大學合作的REACH實驗，聚焦50—170 MHz頻段，在南非射電寧靜區架設兩類天線，置于巨型金屬網狀接地板上以減少地面干擾，其首席研究員Lera Acedo指出，信號搜尋需依托精準的宇宙學理論和工程技術，地面反射、校準誤差、土壤雜散信號是主要障礙，需通過降低系統噪聲、優化數據分析來剔除干擾。

另外，印度拉曼研究所的SARAS實驗經多次改進，從地面天線改為水面漂浮的金屬錐形天線，觀測頻段40—200 MHz。在EDGES公布結果后，SARAS將研究重點轉向驗證該結果。2022年其團隊利用漂浮輻射計數據，最終得出不支持EDGES結論的結果。研究科學家Saurabh Singh表示，未探測到信號的結果同樣重要，能排除大量理論模型，修正對早期恒星和星系特性的認知。

美國加州大學伯克利分校的科研人員也展開了多項探索。Raul Monsalve Jara自2012年參與EDGES項目，同時擔任多國合作的MIST實驗聯合負責人，該實驗觀測頻段25—105 MHz，采用簡化儀器、移除金屬接地板的方案，將小型便攜設備送至加州、內華達沙漠及北極等偏遠地區觀測，并靈活更換觀測點以減少環境干擾，團隊還計劃在智利開展更多觀測。同校的Aaron Parsons則提出徹底消除地面干擾的思路，其設計的EIGSEP系統將天線懸掛在猶他州峽谷上方，四周留百米空曠空間，觀測頻段50—250 MHz，天線可旋轉擺動以實現精準校準，并與地面天線協同觀測，該項目已于去年投入使用。

未來一年，更多探測實驗將投入運行。曼徹斯特大學的RHINO項目，利用摩天大樓上的金屬網制成喇叭形接收器(具有利于校準、測量精準的優勢)，初期設于卓瑞爾河岸天文臺，后續將前往偏遠地區探測。曾創立SARAS實驗的Ravi Subrahmanyan，現正設計全新輻射計GINAN，觀測頻段40—160 MHz，搭載自校準天線，能更真實地測量天空信號。

與此同時，EDGES團隊也在持續升級，由麻省理工學院海斯塔克天文臺主導的Cappallo項目將其升級至第三代，設備仍為桌面大小，但改為盒式封閉結構，電子元件內置，配備更大金屬接地板，研究團隊已在加拿大群島和阿拉斯加阿留申群島開展觀測(圖2)。Cappallo表示，2018年的EDGES結果需經獨立驗證才能被學界認可，團隊將在更多地點和環境下觀測以提升可靠性，目前該團隊雖能通過相同流程復現結果，但尚無其他團隊能重現這一信號。一些天文學家支持新實驗的開展，Aaron Parsons認為，多個團隊用不同方法研究，才能形成共識，避免輕信單一測量結果。

圖2 2024年，一套EDGES系統被部署至射電靜默區阿留申群島進行觀測

由于地球大氣層的電離層會扭曲干擾信號，且地面存在大量無線電噪聲，部分天文學家將探測目標轉向月球，尤其是月球背面，能完全避開地球的無線電干擾。Aaron Parsons參與了NASA的LuSEE-Night項目，該項目計劃明年在月球著陸低頻探測設備。2025年7月，Lera Acedo提出Cosmocube方案，將微型輻射計送入月球軌道，繞月搜尋21 cm信號。該項目目前仍在籌備中，至少十年內不會投入運行，但被認為是探測研究的重要一步。

當下，各團隊仍在競相探測這一難以捕捉的21 cm信號，隨著儀器靈敏度提升、理論模型完善，未知因素正逐漸減少。Raul Monsalve Jara堅信，只要實驗方法正確，人們終將找到這一信號。這場競賽的核心問題，便是眾多團隊中誰的實驗方案才是真正正確的那一個？

衷心感謝大家參與周末讀書活動！恭喜〇，歡歡，楊佳東，林潼，
wxy，列奧共6位讀者獲贈《劉寄星物理回望錄——談史·說人·品書》一本。請盡快把快遞信息在后臺告訴我們，以便您收到贈書哦。

歡迎訂閱2026年《物理》雜志

期刊介紹

01

《物理》是由中國科學院物理研究所和中國物理學會主辦的權威物理類中文科普期刊，注重學科性與科普性相結合，秉承“輕松閱讀，享受物理”的辦刊理念，集學科大家之力，追蹤物理學成果，服務物理學領域，促進學科交叉，讓科學變得通俗易懂。已成為我國眾多物理專業的大學生、研究生、物理學家案頭常讀的刊物之一。

作者：眾多活躍在科研、教學一線的院士、專家。

讀者：物理學及其相關學科(如化學、材料學、生命科學、信息技術、醫學等)的研究人員、教師、技術開發人員、科研管理人員、研究生和大學生，以及關注物理學發展的讀者。

欄目：特約專稿、評述、熱點專題、前沿進展、實驗技術、研究快訊、物理攫英、物理學史和物理學家、物理學漫談、物理教育、人物、科學基金、物理新聞和動態、書評和書訊等。

期刊訂閱

02

訂閱方式：編輯部直接訂閱優惠價240元/年，全國包郵。

方式1

- 微信訂閱 -

(此訂閱方式僅針對需要對公開電子發票的讀者，且務必提供正確的單位名稱和單位稅號)

在“物理所財務處”微信公眾號繳費，操作如下：公號下方“業務辦理”-“訂刊費”-收費部門“《物理》編輯部”，之后填寫相應信息。如有問題，可添加編輯微信咨詢：18627635857。

方式2

- 銀行匯款 -

開戶行：中國農業銀行北京科院南路支行

戶 名：中國科學院物理研究所

帳 號：11250101040005699

（請注明“《物理》編輯部”，匯款成功后請及時聯系編輯部登記郵寄地址）

編輯部聯系方式：

咨詢電話：010-82649277；82649029

Email：physics@iphy.ac.cn

贈閱活動

03

為答謝廣大讀者長期以來的關愛和支持，《物理》編輯部特推出優惠訂閱活動：凡直接向編輯部連續訂閱2年《物理》雜志，將獲贈《歲月有情- <物理> 50周年紀念本》。內有自1972年至2022年《物理》發表的50篇精選文章信息，掃描對應的二維碼，可重溫經典之作，感悟物理科學的真諦，領略學科大家的風采。希望讀者們愛上《物理》!