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天文学家们正在大力推广一种相对较新的技术，以此来了解早期宇宙的三维结构。

只要具备充足的时间和放大率，望远镜就可以收集所需的所有光线，为一个遥远的星系绘制出一幅相当完整的肖像。但是，一些科学家选择了一种更具印象派的方法，就是使用一种名为谱线强度绘图的相对较新技术，从数十亿个明亮和微弱的星系及其周围气体集合中收集平均信息。

谱线强度绘图可以告诉科学家在某个时间段内宇宙某个区域的化学成分。海德堡大学天体物理学研究员卡罗琳·赫内卡表示，与单个星系成像相比，近距离的图像有点模糊。但从远处查看，能更好的看到星系之间的联系。

尽管这项技术早在本世纪初就已开始使用，但它仍是参与五大进程（P5）的物理学家们的热门话题。通过该进程，一个科学顾问小组将为未来五到十年美国高能物理研究的优先事项提出建议。

美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家基里特·卡卡雷表示，这是因为宇宙学领域已经发展到谱线强度测绘可以补充当前星系探测技术的地步。卡卡雷与人合著了一份白皮书，介绍了P5之前社区规划过程的谱线强度绘图。

卡卡雷说道：“我们非常强烈的想尽可能久远的测量时间，回溯宇宙最初的十亿年。也就是说，用传统的星系探查很难做到这一点?！?br />

如何工作

谱线强度绘图依赖于天文学中的两个基本概念: 发射谱线和红移。

发射谱线与电子的行为有关。

一个原子的电子可以被认为占据了一系列的轨道壳层，每个壳层都嵌套在下一个壳层内。当一个原子被入射的能量激发时，比如来自光的能量，它会吸收足够的能量将最外层的电子撞到更高的轨道壳层。电子跃迁的壳层取决于它吸收的能量：更多的能量使它跃迁得更高。

电子最终回到原来的轨道，并以光的形式释放激发它的能量。对于一个给定的元素，每个电子跳跃的潜在路径都会发出特定波长的光，对应于特定的颜色，当光被分解成显示该元素所有颜色的光谱时，可以观察到这种光。在谱线强度测绘中，科学家研究来自宇宙某个区域的光谱，以绘制出存在的元素。之后，可以通过红移计算出元素的距离。

为了精确测量银河系外物体的距离，天文学家观察了宇宙膨胀时光的拉伸方式。就像救护车驶离时，警笛的音调会变低，声波会被拉长一样，来自遥远星系的光的颜色会变得更红，或者更“红移”，因为这些星系离地球更远。光的红移越多，光源走得越远。

采用更传统的星系勘测方法，望远镜会观察单个天体并测量其整体强度，以确定其结构和组成的细节?？的味笱Ы淌诎⒈雀嵌た死锎谋硎荆紫咔慷然嫱挤ú捎玫氖且恢指咄臣菩缘姆椒ā?br />

通过绘制谱线强度图，科学家可以以较低的分辨率扫描更大的天空?？死锎乃担骸昂玫囊幻媸?，即使是最微弱的光源，也能获得无法单独分辨的辐射。它可以在更快的时间内进行宇宙学规模的调查，而不必测量单个物体?！?br />

赫内卡表示，谱线强度测绘和传统的星系测量是相辅相成的方法。谱线强度图使科学家能够更全面地了解红移较高的区域，因为除了明亮的光源外，还可以从难以分辨的光源收集微弱的光。

赫内卡将这种强度的谱线强度绘图比作观察冰山：只看到最亮的光源就像只测量冰山一角，但在信号中包括较暗的光源会考虑到整个结构。这对大规模结构测量最有用，也能将其推向高红移。

通过观察感兴趣的发射线（如氢或电离碳），并利用这些发射线的红移来确定物质的距离，天文学家可以获得其结构的三维图像。

加州大学欧文分校教授阿桑塔·库雷说："我们的想法不是探测单个光源，而是研究累积发射，即总背景光，作为红移和波长的函数，然后尝试将其分解为不同的红移或不同的时间纪元。”

即将取得的成果和未来计划

谱线强度测绘的挑战之一是处理一种被称为干涉线的现象：干涉线来自未红移的光——因此，是最近从离地球较近的地方发射的光——与天文学家正在寻找的红移光相匹配。另一个主要挑战是校正噪音和仪器误差，从无线电波干扰到太阳系尘埃反射的红外光。

罗切斯特理工学院教授迈克尔·泽姆科夫说：“有办法解决这个问题。但你必须摆脱这种明亮的前景"。

赫内卡表示，随着第一代实验——比如澳大利亚默奇森宽场阵列（Murchison Widefield Array），这是平方公里阵列（SKA）的前身——使用中性氢的谱线强度图收集数据，测量和模型越来越好。他说道：“我们开始进行第一次测量，这真的很令人兴奋，因为得到的每一次测量都以前所未有的方式约束了我们的模型?！?br />

将于明年推出的宇宙史、再电离时期和冰层探测器光谱光度计（SPHEREx）能够校正干涉线和系统噪声?？饫资荢PHEREx的科学负责人，泽姆科夫是联合研究员。

SPHEREx将是第一台专门为谱线强度测绘设计的仪器，该仪器可以从太空获取数据，并使用发射线跟踪过去星系的演化。它将绘制大量不同的发射线，如氢气、氧气和氮气。

赫内卡说道：“在接下来的五到十年里，从不同的实验和我们收集的测量数量来看，事情确实会加速。每个人都会关注SPHEREx，并很高兴看到它为我们提供了什么数据?！?br />

SPHEREx的目标之一是研究宇宙历史上一个被称为再电离时期的时期，当时第一批大质量明亮的恒星燃烧掉了附近的中性氢，为我们看到它们的光扫清了道路。

克里茨说道：“我们对这件事是如何发生的有点了解，我们知道这件事的发生是因为今天看到了宇宙，但对它到底是如何发生没有太多细节。所以我们的想法是统计了解当时有多少光子可用于电离宇宙，并整合在一起，帮助我们追踪再电离并获得更多细节?！?br />

另一个即将进行的实验是断层强度绘图实验（Tomographic Intensity Mapping Experiment，TIME），克里茨是该实验的主要研究者。

泽姆科夫表示，TIME旨在帮助科学家了解恒星形成的历史。TIME将通过探测电离碳来做到这一点，电离碳在活跃形成恒星的早期星系中是明亮的。在更近的距离上，TIME还将测量一氧化碳，一氧化碳是难以检测的中性氢的有用替代物，它能显示恒星形成的速度。更进一步说，谱线强度绘图以帮助天文学家了解塑造宇宙的力量，如暗能量和暗物质。

例如，卡卡雷正在与一个团队合作开发一种名为南极望远镜夏季谱线强度映射器（SPT-SLIM）的仪器，他希望该仪器能作为未来更大探测器的概念验证。

泽姆科夫说道：“人们谈论的一些事情非常雄心勃勃，我们谈论的是几十年后的事情?！?/span>

来源 | 《Symmetry》期刊官网

编译 | ?槟榔郭