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射电观测宇宙学
利用中性氢绘制宇宙大尺度结构
射电频段也是宇宙学观测的重要窗口。在射电频段，中性氢原子的21厘米谱线观测在宇宙学研究中具有巨大潜力，是研究宇宙大尺度结构、星系形成和演化的关键信息载体。氢元素是宇宙中丰度最高的元素，广泛存在于自复合时期以来宇宙演化的各个阶段。在宇宙复合至再电离时期，通过观测中性氢的21cm谱线，可以揭示宇宙第一代天体的行程过程以及宇宙由“黑暗时代”至“宇宙黎明”的演化过程。在宇宙再电离后时期，中性氢广泛存在于星系中，是宇宙中暗物质分布的重要示踪体。通过观测一个足够小的体积范围内所有星系的中性氢21cm总辐射强度，从而获得中性氢亮温度在宇宙学大尺度上的空间分布，这种巡天观测方式称之为中性氢强度映射巡天（HI intensity mapping survey）。中性氢强度映射巡天观测，可以迅速的获得较大红移范围宇宙学体积内中性氢辐射强度的三维分布，通过构建相关函数、功率谱等统计观测量研究大尺度结构的形成和演化；通过重子声学振荡标准尺，研究宇宙的膨胀历史，从而揭示宇宙起源、暗物质、暗能量等重大宇宙学问题。
射电宇宙学中的先进数据分析技术
近年来，深度学习算法为天文数据分析打开了新的窗口，特别是在分析、提取复杂图像中的重要信息方面有极大的潜力。借助于深度学习算法，减除中性氢强度映射巡天数据的前景干扰，特别是应对有系统效应污染的前景干扰减除，是目前研究的热点之一，我们在此领域率先开展了一些列基础性的研究工作。比如，针对中性氢强度映射巡天中由于波束随频率的变化、波束旁瓣的信号泄露影响、以及波束极化泄露等问题，我们通过模拟数据，发展了一套基于U-Net深度学习网络的前景减除方法。通过模拟数据，构建一些列包含系统效应的训练集数据，训练深度学习网络，从而使得U-Net网络可以进一步消除传统PCA前景减除后的前景残存，修正由于PCA前景减除造成的信号损失。
射电超长波波段的科学探索
射电超长波波段（频率低于30MHz）是当前射电天文观测的空白领域。受限于地球大气电离层的共振吸收效应，超长波波段只能开展空间观测。近年来空间超长波探测逐渐成为国际前沿研究的热门领域，超长波波段射电观测将带来的新科学机遇，特别是在探测早期宇宙、宇宙“黑暗”暗时代与再电离时期方面具有巨大潜力。
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中性氢宇宙学是当前宇宙学研究的前沿方向之一，利用中性氢原子在射电波段发出的21厘米谱线，探索宇宙大尺度结构的形成与演化、宇宙膨胀历史以及暗能量与暗物质的性质。氢元素是宇宙中最丰富的元素，自宇宙复合时代以来广泛存在于不同宇宙学阶段。在射电波段，21厘米谱线为我们提供了穿越宇宙深处的重要观测窗口，具有极大的宇宙学研究潜力。尤其是在宇宙复合至再电离时期，通过观测中性氢的21厘米信号，可以重建宇宙“黑暗时代”到“宇宙黎明”的演化图景，从而揭示第一代天体的形成与宇宙结构的最初起源。
进入再电离之后，中性氢主要集中在星系内部，其空间分布在大尺度上可以用作暗物质分布的示踪体。通过观测一定体积内所有星系的中性氢21厘米辐射总强度，并将其转化为空间亮温度分布，可获得三维宇宙学尺度下中性氢的强度分布图。这种观测方式称为“中性氢强度映射巡天”（HI Intensity Mapping Survey）。相较于传统星系巡天，该方法不需要分辨单个星系，而是直接观测集体发出的信号，因此在效率和红移覆盖范围上具有显著优势。
中性氢强度映射巡天已成为射电宇宙学中的重要技术创新。2010年，美国绿岸望远镜（GBT）首次探测到HI强度映射与光学星系巡天之间的正相关信号，标志着该技术的实用性获得实证。随后，GBT与澳大利亚的Parkes望远镜进一步通过与不同星系样本的交叉相关分析，确认了中性氢强度映射数据处理与分析的基本方法。这些先导性试验虽然受限于观测时间和巡天规模，但首次打开了在宏观尺度上进行中性氢宇宙学研究的大门，也使国际学界认识到该方法的巨大潜力。
在此基础上，多个国家纷纷启动中性氢强度映射相关实验计划。例如，中国的“天籁”计划致力于构建自主的大尺度HI巡天平台，加拿大的CHIME项目采用固定筒阵设计观测大红移范围的21厘米信号，英国与巴西合作的BINGO和南非的HIRAX项目则分别从不同红移区间和不同系统噪声优化角度出发，力求精确测量重子声学振荡（BAO）信号，从而研究宇宙膨胀历史和暗能量性质。这些项目的共同目标，是通过构建大体积、高精度的三维宇宙图谱，为解答宇宙学中关于暗能量、本源涨落以及引力理论的核心问题提供关键观测支持。
展望未来，平方公里阵列望远镜（SKA）作为全球最大的射电天文项目，计划于2028年建成，其宇宙学观测核心方案之一就是大规模的中性氢强度映射巡天。同时，现有通用射电望远镜也开始承担中性氢宇宙学任务，例如南非的MeerKAT望远镜和中国的FAST望远镜均已开展相关观测与技术验证。这些工作标志着中性氢强度映射已从概念验证阶段进入实际应用和国际竞争的关键时期。
总体来看，中性氢强度映射巡天不仅是连接理论宇宙学与观测宇宙学的重要桥梁，也是未来解答宇宙结构演化、暗能量本质以及初始条件等关键科学问题的有效工具。随着设备的持续升级和数据处理技术的不断进步，中性氢宇宙学将在未来的精密宇宙学研究中扮演不可替代的重要角色。