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氢原子|通过这个21厘米谱线，或许我们可以重现宇宙的演化过程( 二 )


那么这些发出的星光其中有一部分能量很高 ， 它能够把原本是中性的氢原子重新电离掉 。
也就是说把氢原子内部的电子给它打出去 ， 这些氢原子又重新变成电离态的氢 。 在这些第一代星系周围 ， 形成一个一个的泡状结构 。
首先形成它的电离氢 ， 是一个一个的泡状结构 。 那么这些随着第一代星系越来越多 ， 这些泡就开始变大 。
电离的区域也会越来越大 ， 越来越多 ， 这些泡就会碰到一起叫并合 ， 就会形成一个更大的泡 。
但就是形状不太规则 ， 这些更大的泡会越来越多地加入在一起 ， 最后充斥了整个宇宙 。
这时候宇宙这个电离过程就结束了 ， 我们把这个过程叫做宇宙再电离 。
氢原子|通过这个21厘米谱线，或许我们可以重现宇宙的演化过程
一开始 ， 宇宙在微波背景辐射形成之前 ， 是电离态的氢和氦 ， 就是质子和电子 。
在黑暗时代,宇宙中的物质是呈中性态 ， 等到把这些中性的原子再次电离 ， 我们把这个过程叫再电离时代 。
宇宙再电离观测
大概在宇宙10亿年的时候结束 ， 在这之后 ， 宇宙中几乎所有的氢都是以电离态的形式存在于宇宙 ， 而只有很少很少的中性氢 ， 还能够存在于星系内部 。
再往后 ， 这个星系就开始继续形成 。 一直到今天 ， 我们看到今天的宇宙 。
因此 ， 宇宙黎明和宇宙再电离 ， 这个时刻是宇宙演化过程非常重要的一个阶段也是今天我们要讲的一个主题 。
我们想认识这个阶段 ， 但是观测上我们怎么去看到它呢？这个非常非常难 。
原因是第一代星系它不是那么亮 ， 又离我们很远 。
所以通过传统的这些光学 ， 或者红外望远镜 ， 很难直接看到这些第一代星系 。 那我们怎么办？
别忘了那个时候 ， 宇宙中充斥的是中性氢 。 这个图就示意了当时的中性氢分布 。
氢原子|通过这个21厘米谱线，或许我们可以重现宇宙的演化过程
有一种食品叫做瑞士奶酪 ， 瑞士奶酪中间空洞的地方 ， 就这些电离氢 ， 它已经被电离了 ， 呈一个泡状结构 ， 那周围的黄色的区域就是中性氢 。
如果我们能够通过某种手段 ， 看到中性氢的话 。 我们就能直观地看到宇宙再电离的过程 。
但是中性氢是很难被探测到的 ， 原因是那个时候的温度已经很低了 。 所以大部分的氢原子中的电子都是处在能量最低的状态 ， 它没有被激发 。
因此我们往常的那些谱线都没有 ， 那怎么办呢？
别怕 ， 大自然给我们创造了一个非常奇妙的宇宙 ， 那就一定会给我们留下一个办法去看到它 。
这个办法就是我们人类想到的中性氢21厘米谱线 ， 这个谱线是怎么形成的呢？
氢原子|通过这个21厘米谱线，或许我们可以重现宇宙的演化过程
打个比方 ， 我们知道中性氢 ， 就是一个电子围绕着氢原子核 ， 也就是一个质子来旋转 。
这就好像月亮围绕地球在公转一样 。 那么同时就好像月亮和地球都还有自转 。
电子和质子也都有自转 ， 我们叫它自旋 。
电子的自旋和质子的自旋之间其实有微弱的相互作用 ， 当电子转动的时候 ， 如果它的自旋方向发生了反转 ， 在这个过程中它会发出一种能量很低的光 。
氢原子|通过这个21厘米谱线，或许我们可以重现宇宙的演化过程
它的波长在21厘米 ， 这个光 ， 我们叫它21厘米谱线 。 这个图是我们用数值模拟合成得到的 。
通过21厘米看到的宇宙的样子 ， 因此你可以看到这个蓝色的地方 ， 就是没有21厘米信号的地方 ， 就代表了这个区域 。
宇宙已经被电离了 ， 成了一个泡状结构 。 而黄色的区域是代表这个宇宙还没有被电离 ， 就是还是中性的地方 。
它有21厘米 ， 我们可以通过21厘米谱线看到它的样子 ， 原则上我们能够重现出宇宙 。
一开始中性到慢慢出现了第一代星系 ， 形成了这些泡状的电离氢的区域 。 再到后来 ， 宇宙慢慢全部被电离的这个整个的过程 。
因此21厘米谱线对于宇宙再电离 ， 将是非常重要的一个手段 。
但是21厘米谱线还是非常难被探测到的 。
21厘米谱线
我们讲讲这个历史吧 ， 21厘米谱线是怎么看到的？
其他谱线是在上个世纪早期先在实验室里边被探测到 ， 然后再通过对它理论解释的过程中发展了量子力学 。
慢慢别人理解了 ， 为什么氢的这些谱线是这样子的 。
到1945年的时候 ， 量子力学大厦已经基本形成了 。
这时候荷兰科学家H.van de Hulst ， 他当时的老师给他提出了这么一个问题 。
氢原子|通过这个21厘米谱线，或许我们可以重现宇宙的演化过程
他们想寻找射电波段 ， 有没有一个谱线？
因为在当时射电波段只看到连续谱 ， 没有一个特殊的谱线 。 而谱线对于物理学家是非常重要的 。 因为它包含了很多重要的信息 。


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