● 星星的光芒不時有足夠的能量能將氫氣的核子與電子分開。 網上圖片每次談及天文學，我們可能大部分時間只會想起觀察各種星體、黑洞。其實並不盡然如此：在沒有星星的地方和時間，宇宙也是充斥着氫氣的；這些氫氣，其實也蘊藏了不少宇宙的奧秘，同時也是不少天文學家熱心觀察的對象。今天就和大家分享一下利用氫氣去觀察宇宙這個課題。
觀測輻射 看穿黑暗
現今科學家們相信，宇宙於一個大爆炸中誕生，隨後逐漸膨脹；宇宙之中的物質和能量隨着膨脹而慢慢演化，最終變成今天的模樣。
我們見到宇宙中最早的光芒，大約源於大爆炸發生38萬年之後：當時宇宙中的原子核與電子組合成不帶電荷的氫氣原子；這些不帶電荷的原子對光線影響較少，儼然變成一片透明的材料，宇宙中的光線因此得以不受障礙地向四處傳播，甚至被我們的儀器偵測到。
不過，其後宇宙卻進入了一個黑暗時代：這個時候宇宙中的主要成分是氫氣，還未有一顆星星，更談不上任何星光。
幸好氫氣也不是完全不會發出輻射：當氫氣原子中的核子和電子改變它們的排序，氫氣原子可以吸收或釋放一種波長21厘米的電波。這些電波向四面八方傳播，自然也可以到達地球給我們觀測。因此過去的宇宙也不是完全黑暗：視乎我們觀察哪一種輻射。
記錄電波 觀測黑洞
藉由這種波長21厘米的電波，我們可以推論出氫氣的密度、移動模式等資料；也由於氫氣長期充斥於宇宙的各個角落，這些資料可以讓我們對宇宙各個時期有更多的了解，尤其是剛剛提及的黑暗時代，因為當時可以讓我們觀察的對象本來就不多。這種21厘米的電波，倘若能夠詳盡記錄，可以成為一套有用的「電影」，向我們展示宇宙演化的其中一個面貌。
縱然是星星已經出現了的時代，這種21厘米的電波還是很有價值。星星的光芒不時有足夠的能量將氫氣的核子與電子分開，也就是將氫氣「電離化」了。
電離化了的氫氣不會再發出這種21厘米的電波，因此反過來說，這些21厘米的電波也可以告訴我們星星形成的過程：假若我們在一個地方見到這種電波逐漸變弱，可能就是一顆星星在慢慢形成了。
另一方面，其實這也是觀測黑洞的一個方法：星星的輻射向四面八方平均分布，因此會在星星周圍形成一層均勻的電離了的氫氣；反過來說，黑洞的輻射會傾向於某些方向發射，因此被電離了的氫氣就會集中於某些地方。憑着分析電離了的氫氣的分布，我們就可以推斷出黑洞的影響。
其實早在1960年代，著名俄國天體物理學家澤爾多維奇（Yakov Zeldovich）與蘇尼亞耶夫（Rashid Sunyaev）就已在討論量度這種21厘米電波的可能性。不過要緊記的是，這些電波在四處傳播的時候，宇宙也在膨脹中，因此這些電波會被慢慢拉長：當它們到達我們的眼睛或儀器時，波長已被拉長至1.5至20米，相當於15至200兆赫的頻率。以香港的情況作比較，這正好跟我們電台使用的FM頻道相互重疊。不難想像，要從這些人工電波之中搜尋出來自宇宙的訊息，在1960年代並非易事。
量度21厘米電波的技術，其實並不困難：一段常用的天線，可能已經足夠了。我們需要的，反倒是優秀的數據分析能力。幸而在過去的幾十年，運算能力已得到了很大的提升。
時至今日，天文學家們已開始得到一些初步的數據；相關的觀測儀器，也正於世界各地準備中，包括澳洲、南非，甚至南極洲！相信在不久的將來，我們會在這課題聽到不少新發現！
●杜子航 教育工作者
早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。