问题——暗能量是什么、宇宙为何会加速膨胀,是现代宇宙学最重要的未解问题之一。理论与观测一致表明——宇宙膨胀且膨胀速度在增加——但驱动加速的“成分”无法被直接观测,只能通过它对大尺度结构与膨胀历史的影响进行间接测量。如何在跨越数十亿年的宇宙时空中建立可靠、可重复的测量基准,成为理解暗能量的关键切入点。 原因——回顾观测史,人类对宇宙膨胀的认识经历了从“发现膨胀”到“确认加速”的转折。早期天文学家通过红移揭示宇宙在扩张,但很长时间里,人们预期引力会让膨胀逐渐减缓。直到1998年前后,Ⅰa型超新星的精密观测显示宇宙膨胀并未减速而是加速,推动科学界建立并完善包含暗能量在内的宇宙学标准模型。暗能量的本质仍不清楚,但其效应可通过“宇宙标准尺”的变化来刻画。其中,重子声学振荡(BAO)是最关键的工具之一:在宇宙早期的高温等离子体中,重子与光子在引力与辐射压共同作用下产生密度波;宇宙冷却后,该特征尺度被“冻结”并保存在大尺度结构中,成为可用于测距的“标准尺”。随着宇宙膨胀,这把“尺”会按比例被拉伸;精确测量不同宇宙时期的BAO尺度,就能重建膨胀率随时间的演化,从而约束暗能量性质。 影响——要把“标准尺”量得准确,观测对象需要分布广,并能跨越较长时间尺度追踪结构演化。中性氢因此成为重要“示踪剂”。氢是宇宙中最丰富的元素之一,氢原子在特定能级跃迁时会发射或吸收波长约21厘米的射电信号,这条谱线相当于中性氢的“身份标记”。通过接收不同红移对应的21厘米辐射强度分布,科学家可绘制跨越多个宇宙年代的中性氢三维图谱,并统计BAO在不同红移下的尺度变化。对国际天文学界而言,若能持续获得高质量的21厘米观测数据,将为检验现有宇宙学模型、与超新星和引力透镜等方法开展交叉验证提供新的支撑,也有望在系统误差控制上形成互补。 对策——挑战同样突出:21厘米信号从遥远宇宙传播到地球后极为微弱,还会受到星系前景辐射与人造无线电干扰影响,其强度往往远低于背景噪声。要在强噪声环境中提取微弱信号,不仅需要口径与视场匹配的望远镜系统,也依赖稳定的接收链路、严格的标定方案,以及高效的前景分离与数据处理算法。BINGO项目的推进,围绕“硬件能力+算法能力+观测环境”协同展开:一上,利用大视场单口径射电望远镜进行连续、宽频段的天区扫描;另一方面,依托多国团队在理论建模、信号处理与系统集成上的分工协作,提升从观测到成图、再到参数约束的全链条能力;同时,项目选址于巴西亚马孙雨林及周边山地天然屏障区域,借助相对洁净的电磁环境降低外界无线电噪声,为长期稳定观测提供条件。 前景——据项目进展,BINGO主体结构已由中国运抵巴西,设备进入组装调试阶段。随着系统联调与试观测推进,项目将逐步验证关键指标并开展科学巡天。面向未来,21厘米宇宙学正处在从技术完善走向观测突破的关键窗口:一旦形成规模化、可重复的中性氢强度测绘能力,BAO“标准尺”的测量将可覆盖更广的红移范围,为暗能量状态方程及宇宙学参数的精细约束提供新的高精度数据。,项目也将推动射电接收机、标定与数据处理等涉及的技术迭代,促进跨国科研平台建设与人才培养,形成工程与科学相互促进的循环。
从伽利略首次将望远镜指向星空,到现代大型射电望远镜的建设历程表明,人类对宇宙的认知突破往往伴随观测技术的跃迁;BINGO项目作为南半球重要的天文基础设施,既包含着探索暗能量的科学目标,也表明了新兴经济体在基础研究领域的协作能力。当这台“宇宙之眼”在亚马孙雨林深处投入观测,人类或将获得更多关于时空与宇宙演化的新线索。