东北大学和国家天文台联合团队在《自然—天文》发表探测暗物质与宇宙第一代星系的新方

而宇宙中第一批星系的形成过程以及宇宙黎明的来临也是天文学领域一直努力回答的重大科学问题，通过测量21厘米森林的一维功率谱来解决弱信号提取和简并问题，证明了21厘米森林可以成为同时测量暗物质性质和宇宙热历史的可行且有效的手段，该项研究清晰地展示了21厘米森林的一维功率谱确实可以成为一箭双雕的宇宙学探针。

7月6日晚，《自然—天文》杂志在线发表了东北大学和中科院国家天文台联合团队（张鑫—陈学雷团队）的一项重大成果，该项研究提出了一种新方法，利用宇宙黎明时期的21厘米森林观测来同时探测暗物质和宇宙中第一批星系。论文第一作者为东北大学博士生邵悦，通讯作者为国家天文台徐怡冬副研究员、东北大学张鑫教授和国家天文台/东北大学陈学雷研究员。

暗物质一直是基础科学中最重要的问题之一，而宇宙中第一批星系的形成过程以及宇宙黎明的来临也是天文学领域一直努力回答的重大科学问题。张鑫-陈学雷团队独辟蹊径，提出了一个新思路，利用21厘米森林的观测可以实现同时探测暗物质的性质和第一批星系，这对于解决这两个重大科学问题具有重要意义。

该研究提出了一种创新方案，通过测量21厘米森林的一维功率谱来解决弱信号提取和简并问题。研究结果表明，通过一维交叉功率谱的测量可以显著提高探测的灵敏度。进一步，通过分析一维功率谱的幅度和形状所揭示的信号尺度依赖性，证明了21厘米森林可以成为同时测量暗物质性质和宇宙热历史的可行且有效的手段。

图：模拟得到的21厘米森林一维功率谱。通过一维功率谱测量，可以显著提高探测的灵敏度。通过一维功率谱的幅度和形状，将可以同时对温暗物质和宇宙加热效应进行测量。

“我们意识到由温暗物质效应和加热效应引起的信号变化，在光谱上的尺度分布特征不同，因此通过一维功率谱分析，将可以从统计上提取关键特征以区分这两种效应。”徐怡冬介绍说，“而且，如果对同一段光谱的两次测量做互相关，将能够显著压低噪声，从而提高信噪比。这对21厘米森林这种弱信号的提取是非常关键的。”

该项研究清晰地展示了21厘米森林的一维功率谱确实可以成为一箭双雕的宇宙学探针，为揭开暗物质和第一代星系之谜提供了一种极有前景的新途径。

徐怡冬和张鑫为《自然—天文》专门撰写了介绍性短文，他们写道：“由于信号极其微弱以及难以识别高红移射电亮源，该探测甚至从未被尝试过。在过去的三年里，高红移射电噪类星体的发现和功率谱分析技术的发展激发了使用21厘米森林研究温暗物质的想法。我们很快意识到，信号和噪声之间的尺度依赖性的明显特征可以用于基于统计方法的弱信号提取，使21厘米森林成为同时测量暗物质特性和宇宙热历史的可行和有效的手段。”

国际著名专家、加拿大圆周理论物理研究所的 Mack教授在《自然—天文》评论道：“这项研究提出了一种有趣的方法，利用21厘米森林功率谱同时限制两种现象：宇宙X射线对星系际介质的加热以及温暗物质的可能效应。虽然以前的研究已经检查了21厘米森林作为星系际介质探针的可能性，但将温暗物质效应作为一个独立信号包含进来则为未来的观测提供了一个新的科学目标。”

《自然—天文》的编辑团队也针对这项研究发表了评论：“我们宇宙的最远处总是极为神秘，由于被尘埃、吸收光的原子和中间介质中的气体阻挡而很难直接观测。这项研究将吸收转化为一种优势，利用它打破了其他方法所遭遇的不同效应的简并，并可用于阐明早期宇宙的结构形成。”

这一突破性方法的发展对于解开暗物质和宇宙早期天体形成的奥秘具有重要意义，将进一步推动我们对暗物质的理解，揭示宇宙天体和结构形成及演化的过程。通过更深入的观测和分析，我们有望在不久的将来获得关于暗物质性质和早期星系形成的更多见解，进一步拓展我们对宇宙的认知。

该项研究由国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目资助。该项成果也是辽宁省宇宙学与天体物理重点实验室自去年底成立以来取得的首批重大原创性、标志性成果。论文主要作者徐怡冬、张鑫和陈学雷为重点实验室成员。同时，工业智能与系统优化国家级前沿科学中心、智能工业数据解析与优化教育部重点实验室也对张鑫-陈学雷团队的相关研究给予了大力支持。

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