北京
宇宙中最丰富的元素，正在成为天文学家绘制宇宙地图的新工具。南非的MeerKAT射电望远镜，仅凭自身探测到的无线电波，就捕捉到了来自40亿至50亿年前的氢气信号。这项突破意味着，一种此前需要依赖可见光辅助的观测技术，如今可以独立工作了。
这项研究成果发表在7月出版的《天体物理学快报》上。研究团队分析了约96小时的MeerKAT观测数据，探测到的氢气分布在跨度数百万光年的空间范围内，其尺度与银河系和仙女座星系之间的距离相当。
氢信号如何"画出"宇宙结构
氢是宇宙中最轻、含量最丰富的元素。中性氢会发出一种极其微弱的射电信号，天文学家称之为"21厘米谱线"。随着宇宙在暗能量影响下不断膨胀，这种信号的波长会被拉长，也就是"红移"。通过测量红移程度，天文学家能判断信号传播到地球经历了多长时间，进而推算氢气存在于宇宙历史上的哪个时期。
利用21厘米谱线，氢强度映射技术能够追踪此前难以直接观测到的星系发出的射电信号，构建宇宙大尺度结构的三维图像。不过，这项技术过去通常需要将射电波探测结果与星系巡天项目的可见光观测数据结合使用。
最新研究打破了这一模式。研究团队仅利用MeerKAT射电望远镜探测到的无线电波，就构建出了氢气强度地图。MeerKAT位于南非北开普省，由64面天线组成。
从"前景噪声"中分离出微弱信号
氢强度映射的概念并不新鲜，难点在于信号极其微弱，很难从前景辐射、人类活动产生的射频干扰以及仪器效应中分离出来。研究团队负责人Sourabh Paul在声明中表示，这是一个"令人非常兴奋的里程碑"，利用MeerKAT直接探测到这一信号，说明这项技术正在成为真正能用于宇宙学研究的实用工具。
爱丁堡大学研究人员Zhaoting Chen解释了这项技术的独特价值：借助强度映射，不需要逐一探测每一个星系，而是可以测量大范围宇宙空间中氢气发出的整体信号。这为研究星系演化以及宇宙中物质的基础分布提供了新方法。
2018年的数据，如今挖出宝藏
一个细节值得注意：研究使用的数据采集于2018年，当时MeerKAT才刚刚开始科学观测。团队成员Mario G. Santos表示，这是一项极具挑战的数据分析工作，必须深入了解各种可能影响微弱测量结果的污染来源。如今，还有大量丰富的MeerKAT数据等待用这种方法探索。
英国曼彻斯特大学研究人员Laura Wolz则指出，尤其令人鼓舞的是，团队能够从最初并非专门为氢强度映射而设计的观测数据中提取出这一信号。这证明了MeerKAT数据蕴含巨大的科学价值，也为未来利用SKAO开展观测指明了方向。
下一步：覆盖更大天空区域
研究团队接下来计划利用MeerKAT收集更多观测数据，覆盖更大的天空区域并延长观测时间。这有望帮助天文学家绘制更精细的氢气分布地图，最终揭示宇宙中最大尺度结构如何在数十亿年间逐渐形成。
未来的宇宙学巡天项目有望从这项技术中获益，尤其是在平方公里阵列天文台（SKAO）投入运行之后。SKAO目前正在澳大利亚西部默奇森地区以及南非卡鲁地区建设。
从2018年的观测数据到2026年的论文发表，这项研究展示了射电天文领域的一种可能性：当观测工具足够灵敏，即使最初不是为某个目标设计的实验，也能为理解宇宙结构打开新的窗口。
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