根據《現代ビジネス》報導，宇宙誕生之初並非從一開始就充滿星光。在大爆炸後，經過數十萬年的「宇宙黑暗時期」，宇宙中既沒有星星也沒有銀河。這段黑暗時期的唯一線索，就是中性氫氣體所發出的「21cm線」。這是一種特殊的電磁波，是宇宙初生時期的重要信號。

「21cm線」是怎麼產生的？為什麼它能幫助科學家了解宇宙黑暗時期？記者專訪了活躍於21cm線研究領域的雲南大學中國西南天文研究所副教授島袋隼士。他從量子力學的角度解釋，中性氫的氫原子由一個質子和一個電子組成，電子與質子的自旋方向可以相同（三重態）或相反（單重態），而三重態的氫原子會因能量較高，逐漸轉為單重態，並釋放出波長約21cm的電磁波。

「21cm線」之所以成為研究宇宙黑暗時期的重要工具，源於氫是宇宙中最豐富的元素之一，幾乎存在於所有時空環境中。而且，氫的狀態會隨著宇宙的演化而變化。在黑暗時期，氫以中性形式存在，而當第一代恆星和銀河產生強光，氫開始被電離。因此，當21cm線的信號消失或減弱時，科學家便能推測當時中性氫正在減少，宇宙進入再電離時期。

島袋進一步說明，「21cm線全球信號」是將來自各方的電磁波平均後的結果，並以此作為宇宙進化圖像的依據。過去天文學家多依賴個別天體的觀測，而21cm線全球信號則提供了一種全新的方法，能從宇宙整體狀態出發，了解黑暗時期如何逐漸走向夜明與再電離。

目前，多項國際研究正積極尋找21cm線。2023年，由洛斯阿拉莫斯國家實驗室領軍的LOFAR電波望遠鏡團隊，就曾報導觀察到疑似來自宇宙黑暗時期的21cm線信號。科學界對此反應熱烈，認為這可能標誌著人類首度「聽見」宇宙最早期的聲音。

「21cm線」研究不僅是天文學家的任務，也涉及量子力學、電磁波理論、數據分析等跨學科知識。島袋隼士表示，這項研究需要長期的觀測與理論建模，才能逐步拼湊出宇宙初生時期的全貌。

📰 本文資料來源 • 《現代ビジネス》 • 島袋隼士專訪 • NASA/STScI 圖像資料