陈学雷：出人意料的宇宙黎明之冷(2)

图2. 前景减除示意图（Wang et. al. 2006）

但是，虽然理论上21cm辐射能提供宇宙的大量信息，但实验中观测是十分困难的。这里的主要挑战是，有许多其它天体会产生比它强得多的辐射，这些被称为前景辐射。例如，银河系中的宇宙线电子会产生强烈的同步辐射，这种辐射强度比宇宙21cm信号强几十万倍，所以宇宙21cm辐射被淹没在前景辐射中，要分辨出它就如同要在白天的强烈阳光中看到星星一样困难。

但是，天文学家还是提出了探测这些微弱21cm信号的思路，主要是利用宇宙21cm信号与前景辐射在频谱上的差异。前景信号随着频率的改变会光滑的变化，而21cm信号每个频率都对应不同的红移，其信号会随机变化。因此，原则上只要把频谱上光滑的信号减掉，就可以得到21cm信号。但是，由于前景辐射强度远远大于21cm信号，只要减错一点点，就无法看到21cm信号了，所以这种实验难度非常大。

本世纪初开始到现在，世界各国陆续建造了多个由许多天线构成的射电阵列望远镜进行宇宙21cm信号的探测，包括荷兰的LOFAR、澳大利亚的MWA、美国的LWA、美国与南非联合的PAPER和HERA、加拿大的CHIME等，我国也建造了21CMA阵和天籁阵分别进行高红移和中红移的21cm观测实验。此外，包括我国在内的多个国家也准备联合研制超级巨大的平方千米阵（SKA）望远镜。

以上这些天线阵每个都包括几十到几百个干涉单元，每个单元又可能包括多个天线。这些天线阵试图观测宇宙三维空间中不同方向、不同红移的21cm辐射强度变化，称之为21cm层析观测。这些实验难度都很大，数据处理也非常复杂，迄今为止虽取得了一些初步进展，但都还尚未探测到21cm信号。当然，研究者们仍在不懈努力。目前看来，今后几年内有希望取得21cm信号探测的突破。

就在这许多阵列开始筹建的同时，美国MIT（麻省理工学院）的Alan Rogers教授和他的博士后Judd Bowman （后来成为Arizona State Univerisity的教授）则决定另辟蹊径，尝试用单天线进行21cm探测。这种设备非常简单，我们熟悉的收音机其实就是一个单天线加接收机。你可能会有疑问：由成千上万个天线组成的阵列尚且未能探测到宇宙21cm信号，单天线又怎么可能呢？