MeerKAT无需光学地图指引便探测到遥远氢信号

氢发出的无线电波旅行约40亿至50亿年后抵达MeerKAT射电望远镜，但它并没有呈现为一组可辨认的星系，而是成为埋藏在更明亮射电源和人造干扰之下的极弱统计图样。Sourabh Paul、Zhaoting Chen、Mario G. Santos和Laura Wolz团队报告，首次在干涉式强度测绘模式中直接探测到该信号的自功率谱，而且没有借助光学星系目录来指示搜索位置。

信号来自中性原子氢的21厘米谱线，射电天文学中写作H I。强度测绘不逐个分离星系，而是把许多未分辨星系的辐射相加。功率谱测量这种强度涨落如何分布在不同空间尺度上；它既不是照片，也不是已经完成的三维地图。在这样的距离上，此前的探测主要依赖射电数据与光学巡天的交叉相关。新结果表明，仅凭射电观测也能恢复统计信息。

研究人员重新分析了2018年调试期间取得的约96小时观测，数据分为9组，每组至少使用58面天线。他们把L波段分成两个宽约46兆赫的窗口，中心频率分别为1077.5和986兆赫，对应红移z≈0.32和z≈0.44。红移越大，宇宙膨胀对波长的拉伸越强，所见辐射也越古老。每个窗口包含220个频率通道，来自原始的4000个通道；原始频率分辨率为209千赫。

关键难题是把氢信号与射频干扰（RFI）以及天体前景分开。团队把数据分成偶数和奇数时间样本，再计算两者的交叉功率，以消除平均噪声偏差。随后使用两种过滤方法。保守的基线标记法BLF在计算前排除受污染的天线对，在z≈0.32和z≈0.44分别以3.2和3.5个标准差探测到信号。uv延迟标记法UVDF先把数据组织到频率—延迟空间，再识别异常模式；排除最容易受系统误差影响的前两个尺度区间后，显著性分别为5.9和9.18个标准差。这些数值比较的是组合功率与零信号假设下的统计不确定性，并不会自动涵盖所有可能的系统误差。

两种分析得到相符结果，但显著性的差异也说明结论高度依赖污染处理。逐次移除一个观测块的刀切检验没有发现任何单一数据块主导结果。研究还把两个频段交叉起来做零检验；两个频段不应共享同一宇宙学信号，结果与零一致。模拟显示，对被删除通道进行填补会在某些数学方向损失部分信号，但估计损失低于最终一维功率谱的测量误差。作者仍把微弱、宽带的射频干扰列为风险。

发表于《天体物理学杂志快报》的论文利用该功率谱探索暗物质晕内中性氢质量分布模型。然而，把方向依赖压缩成一维区间后，模型参数彼此简并；初步约束必须借助外部给出的宇宙H I密度。因此，这些数据还没有测量暗能量，也没有交付大型巡天所设想的宇宙地图。它们证明，一台64面天线的仪器无需光学辅助，就能从原本并非为此目的采集的观测中提取这种示踪信号。

南非射电天文台和曼彻斯特大学于9月1日公布结果；Robert Lea在Space.com于9月4日发表的报道中进行了梳理。对于MeerKAT作为先导设备的未来平方千米阵列而言，成果与警示不可分割：更大天区和更长积分时间可能把概念验证变成宇宙制图，但前提是下一代分析能够控制更微弱的地面信号。