探索 | BINGO国际合作宇宙学项目启动 一起追寻宇宙大尺度结构的“录音记录”

交汇点讯 科学研究表明，与人类熟知的能量形式不同，暗能量占据全部宇宙的七成左右，是宇宙加速膨胀的最大推手。然而，这种谜一般的存在，如何获取天文观测证据？

7月6日，由巴西、英国、法国、瑞士及中国科研团队共同参与的国际合作射电宇宙学项目BINGO（Baryon acoustic oscillations from Integrated Neutral Gas Observations，即通过对宇宙中中性氢气体的观测来捕捉重子声学振荡信号）正式启动。科学家们将在巴西建设一台大型单口径射电望远镜，来观测深空中的中性氢气体，揭示宇宙大尺度结构和暗能量的奥秘。

让人类看到一个更为完整的宇宙历史

BINGO项目侧重于研究宇宙开始加速膨胀后的时期（宇宙大爆炸后9亿年以来的时期），将有希望通过有效研究重子声学振荡现象来揭示暗能量的物理本质。项目由巴西圣保罗大学牵头，英国曼彻斯特大学、伦敦大学学院、瑞士联邦理工学院以及中国的多个团队参与。其中，中国团队由扬州大学王斌教授担任共同首席科学家，上海交通大学、扬州大学和中国电科网络通信研究院等为核心参与单位。

“基于BINGO项目，人类将能够从根本层面上回答宇宙学的一些最基本关键问题，而随着这些问题的解答，人类对宇宙的认识也将进入一个新时代。”项目首席科学家、巴西科学院院士、巴西圣保罗大学Abdalla教授介绍，BINGO 望远镜将建于杳无人烟的巴西亚马逊森林边，可最大限度地避免人工无线电发射源的干扰。项目还采取了已在国际空间项目中使用的先进成熟技术，并设计了特殊的信号采集系统，可最大限度地抑制干扰，提高数据质量。

“该项目基于射电天文界和宇宙学界的国际合作，将通过对宇宙不同演化时期中性氢气体21厘米线辐射的精确观测，揭示宇宙演化物理本质，特别是暗能量本质。”项目共同首席科学家、长江学者特聘教授、扬州大学王斌说。

2018年，《自然》杂志刊文宣布天文学家成功捕捉到了宇宙再电离时期的21厘米中性氢原子信号，探测到了宇宙的“第一缕曙光”——大爆炸后1.8亿年，宇宙的第一批恒星诞生了。这意味着天文学对宇宙“黑暗时代”的研究，翻开了一个新的篇章。21厘米线是由中性氢原子基态能级超精细结构之间的跃迁所产生的，其电磁波波长为21厘米。近年来，伴随着技术进步对宇宙中性氢气体的21 厘米线进行精确观测已成为可能，“21厘米宇宙学”正快速进入人们的视野，成为天文学家探索宇宙大尺度结构、暗物质分布、暗能量状态方程的强有力工具。

目前，国际上已建成一批相关的宇宙学射电观测装置，比较著名的有LOFAR（欧洲）、WMA（澳大利亚）和MeerKAT（南非）等射电干涉阵列。我国也先后以国家天文台的力量建成了21CMA和天籁等射电观测阵列，从而跻身21厘米宇宙学的国际竞争之列。数个单口径天文望远镜项目（包括我国的FAST与此次的BINGO）也先后加入了21 厘米宇宙学领域的竞争。“目前国际上已经建成和正在设计建造的一系列大型射电望远镜设备都瞄准了21厘米宇宙学，宇宙学的新时代正在开启。”王斌介绍，此类射电设施拥有显著优点，可实现相对快速的巡天。

“21 厘米宇宙学具有极大的创新潜力。”王斌说， 晚期加速膨胀对宇宙学研究来说是一个巨大的挑战。尽管人类已经做出了一些尝试，仍旧缺乏一个对它的合理解释。“它也必将催生一些新物理，例如新粒子的发现或者引力理论的修改。为此，这个现象确实值得我们去透彻理解。而事实上，存在不少想要揭开其面纱的实验本身，已足以证明该现象的重要性。21厘米线为我们打开了探索宇宙的新窗口，而我们也得以看到一个更为完整的宇宙历史。从宇宙再复合之后，经历黑暗时代，一直到现在。”

汇聚顶尖力量，中国团队将承担核心任务

BINGO项目中，中国团队将侧重于通过测量和分析功率谱信号中的重子声波振荡信息，优化宇宙学距离的计算方法并精确确定宇宙膨胀率，揭示暗能量和暗物质属性、检验修改引力并测量中微子质量。目前，中国团队承担了BINGO理论模板、强前景干扰扣除算法以及望远镜基建等核心任务。

重子声学振荡(BAO)可以比喻为宇宙大尺度结构的录音记录。“这是测量宇宙几何的量天尺，通过探测不同红移处的重子声学振荡，我们可以测量宇宙膨胀率随时间的变化。从而精确测量暗能量状态方程等关键宇宙学参数，揭示宇宙加速膨胀的奥秘。”王斌介绍，早期宇宙中光子与重子物质耦合，形成高温高密度的光子-重子流体，该流体整体分布均匀，但局部有些地方的密度会略高一些，而另一些地方的密度则会略低一些。密度涨落会在光子-重子流体中以波的形式传播，产生“重子声学振荡”。之所以称其为“声学振荡”，是因为这种波与空气中的声波非常类似，都是依靠介质密度的变化来传播的纵波。

“随着宇宙不断膨胀并冷却下来，光子与重子物质之间发生退耦，这种振荡随即变得无法继续传播，但是早先的振荡会分别在光子和重子物质的分布中留下其痕迹。”王斌说，重子声波振荡导致了一种特殊的物质分布不均匀性，被保留在宇宙大尺度结构中，成为宇宙早期热历史的活化石。“如今，我们既可以从宇宙微波背景辐射中观测到早期 BAO 信号，也可以通过研究当前宇宙中星系的分布来从统计学意义上找到 BAO 信号。这些观测可以互相补充和印证，从而为我们研究宇宙大尺度结构和宇宙的膨胀演化提供一个极其重要的工具。”

“21 厘米宇宙学观测中所面临的一大挑战就是强前景的干扰。这些前景干扰来自人工无线电发射装置，以及银河系和银河系外众多星系中的黑洞，其强度比21厘米线信号强至少4-5个数量级。”中国团队核心成员、上海交通大学徐海光教授表示，无论是射电天文界还是信号处理领域，均无应对如此严重强干扰的经验。国际上已开展的强前景去除算法研究主要侧重于在几十至大约三百MHz 较低频波段，对于BINGO项目的中频工作频段则关注甚少。“目前，我们联合建立了一支低频射电天文研究团队，致力于发展强干扰条件下极微弱天文信号的识别和提取。”

王斌说，BINGO项目汇集了国际上宇宙学领域的顶尖力量，是一个在宏伟科学目标驱动下实施的典型国际合作大科学装置项目，其建设和运行不仅对空间科学、物理学、天文学等学科的科学研究、队伍建设和人才培养具有非常重要的意义，也将有力促进信息、电子、机械等相关学科的一步融合交叉，提升这些学科的创新能力，优化交叉型新工科人才的培养，为我国天文事业作出贡献。

快速发展的宇宙学，尚有诸多未解的谜题

曾几何时，宇宙学是一门充斥着没有坚实依据的猜想，数据也少得可怜。但今天，宇宙学已成长为一门精确的数学科学，愈发精确的观测数据正发挥关键性作用。

“现代宇宙学起源于1915年广义相对论诞生，紧接着史瓦西黑洞解、宇宙学原理、宇宙背景演化和哈勃膨胀等就在十几年间被发现了。”王斌说，20 世纪 40 年建立起了热大爆炸宇宙学说，到20世纪80年代，现代宇宙学迎来了大发展，标志性事件为暴涨模型的提出，20世纪90年代又发现了宇宙加速膨胀。“宇宙学研究目前进入了精确时代，随着测量精度越来越高，我们将有可能发现全新的，此前未能预料到的现象，已经有多个宇宙学研究成果获得了诺贝尔物理学奖。”

在过去的几十年里，人类正在重新认识宇宙，而且也对地球在宇宙中所处的地位看法也发生了巨大的改变。王斌说，热大爆炸宇宙学预言了宇宙有一个背景温度，该预言为人类揭示了宇宙学历史上最为重要的实验发现之一，这便是宇宙微波背景辐射（CMB）。1964年，贝尔实验室的两位无线电物理学家首次探测到了CMB，并于1973年被授予诺贝尔物理学奖。1989年发射的专门探测 CMB 的观测卫星COBE在当时以极为完美的精度验证了 CMB 的黑体谱及背景温度。在第二代和第三代CMB实验，即WMAP和Planck卫星又观测到了CMB的温度涨落。这一领域的科技成就和其他宇宙学观测实验一起确立了所谓的“精确”宇宙学的来临。

1998 年，国际上两个Ia型超新星观测实验组通过独立观测得出了同样的结论。“即今天的宇宙膨胀正在加速，似乎存在某一种神秘的负压物质作用于整个宇宙中的星系并将其推开，也就是暗能量。”王斌说，这一颠覆性的科学发现被誉为 20 世纪自然科学最伟大的发现之一。

“除此之外，暗物质也是宇宙学研究的热点方向。”王斌说，20世纪70年代天文学家通过测量星系的旋转曲线发现星系自转速度在较大尺度上并不符合理论规律，在标准理论框架下可见物质的引力太弱无法维系星系周边发光天体的稳定演化。因此，一个大胆的猜想被理论家提了出来，宇宙中可能存在大量不可见的所谓的暗物质，正是这些暗物质提供了更多的引力来维系宇宙中的星系的稳定存在。和暗能量类似，暗物质的物理本质至今仍然尚未得知。通过CMB实验、超新星实验、大尺度结构观测等一系列的天文观测数据，物理学家描绘出标准宇宙学模型，可见物质在宇宙中所占的比分只有约5%，暗物质占到了25%，暗能量则达到70%之多。

“随着国际上对于宇宙学研究的各种天文观测实验不断上马，精度不断提高，理论的构造必须要在和各种天文观测实验相互比较的基础上才能有进展。”王斌说，这方面的研究工作是目前国际物理学界和天文学界共同研究的焦点。美国物理与天文学会在21世纪要解决的11大科学问题中，把什么是暗物质，什么是暗能量，宇宙是如何开始的，爱因斯坦的引力理论是否是最终的理论，有没有额外维度等问题，列为需要解决和回答的问题。这些问题都和引力物理密切相关。随着科学技术的迅猛发展，实验观测水平和精度的不断提高，理论上超越爱因斯坦，深刻揭示引力本质是充满希望的。

新华日报·交汇点记者 王拓 通讯员 虞璐

编辑: 谢诗涵