1.宇宙黎明與再電離時期簡介

宇宙黎明（Cosmic Dawn, CD）和再電離時期（Epoch of Reionization, EoR）是宇宙歷史中最重要的階段，宇宙中第一個發光結構在這兩個階段誕生。這些最早的天體加熱和電離星際介質中的中性氫原子。紅移后的21厘米輻射為研究中性氫（HI）的演化提供了極好的直接探測方法，從而揭示了宇宙最后一次相變過程中的第一個發光天體的本質、演化以及其在宇宙結構形成和演化過程中的作用。

2.中性氫原子與21厘米輻射

2.1 中性氫原子的重要性

中性氫原子是宇宙中最早的物質成分，對研究宇宙歷史和結構形成具有重要意義。通過觀測和分析中性氫的分布和演化，可以更深入地了解宇宙的演化過程。

2.2 21厘米輻射的研究價值

21厘米輻射是中性氫原子之間相互作用產生的電磁輻射，具有很高的科研價值。通過對紅移后的21厘米輻射進行研究，可以直接探測宇宙中中性氫的演化過程，揭示第一個發光天體的性質、演化以及在宇宙歷史中的作用。

3.探測21厘米信號的挑戰

3.1前景干擾

由于強烈的前景干擾，用現有和即將投入使用的設備直接測繪CD-EoR期間的HI密度變得非常困難。這些前景干擾來自于銀河系和其他天體的輻射，使得紅移21厘米信號的探測變得異常復雜。

3.2觀測污染

觀測污染是另一個影響21厘米信號探測的因素。射頻干擾、儀器噪聲等都可能對觀測結果產生影響，增加信號檢測的難度。

4.SKAlow望遠鏡

4.1望遠鏡的目標

即將建成的SKAlow望遠鏡將致力于解決上述挑戰，其主要目標之一是研究CD-EoR時期的物理過程。通過高靈敏度、高分辨率的觀測，SKAlow望遠鏡有望成為研究宇宙黎明和再電離時期的重要工具。

4.2對CD-EoR物理的貢獻

SKAlow望遠鏡將有助于研究紅移21厘米信號的起源、首次電離光子的來源、電離光子在星際物質中的傳播、宇宙學效應對21厘米信號的影響等方面，為揭示宇宙黎明和再電離時期的物理過程提供重要數據支持。

5.印度天文學家的研究成果

5.1紅移21厘米信號的起源

印度天文學家通過對紅移21厘米信號的研究，探討了信號的起源。這些研究成果為理解宇宙中最早的發光結構和宇宙歷史提供了重要的線索。

5.2首次電離光子來源

印度天文學家還研究了首次電離光子的來源，這些光子是導致宇宙再電離過程的關鍵因素。他們的研究成果有助于理解宇宙早期結構的形成和演化。

5.3電離光子在星際物質中的傳播

印度天文學家對電離光子在星際物質中的傳播進行了深入研究，揭示了光子在星際介質中傳播的過程和機制。這些研究有助于更好地理解宇宙再電離過程。

5.4宇宙學效應對21厘米信號的影響

通過對宇宙學效應對21厘米信號的影響進行研究，印度天文學家揭示了各種宇宙學過程對信號的影響，為解釋觀測數據提供了重要依據。

6.信號的統計度量

6.1功率譜

功率譜是描述信號空間分布特征的統計量，可以用來度量紅移21厘米信號的強度和結構。印度天文學家通過研究21厘米信號的功率譜，為信號探測和分析提供了重要的方法。

6.2雙譜

雙譜是另一個描述信號空間結構的統計量，用于度量信號的非高斯性。印度天文學家通過研究21厘米信號的雙譜，揭示了信號的高階結構特征。

7.挑戰與方法

7.1統計度量的估計器

印度天文學家開發了一系列統計度量的估計器，用于檢測紅移21厘米信號。這些方法在實踐中取得了顯著的成果，為信號檢測提供了重要的技術支持。

7.2不確定性評估

在研究過程中，印度天文學家對統計度量估計器的不確定性進行了嚴格的評估，揭示了信號檢測中的各種誤差來源和影響因素。

7.3大前景發射與校準問題

針對大前景發射和校準問題，印度天文學家提出了一系列解決方法。這些方法在巨米波射電望遠鏡上得到了實際應用，成功評估了前景污染對信號探測的影響，為再電離和后再電離時期物質密度的探測提供了上限。

8.總結與未來展望

本文總結了印度天文學家在宇宙黎明和再電離時期物理研究中的集體努力。通過對紅移21厘米信號的起源、首次電離光子的來源、電離光子在星際物質中的傳播以及宇宙學效應對21厘米信號的影響等方面的研究，印度天文學家為全球研究CD-EoR物理過程做出了重要貢獻。

隨著SKAlow望遠鏡的建成，未來有望在21厘米信號探測和分析方面取得更大的突破。這將有助于揭示宇宙最早的發光結構和宇宙歷史，進一步深化人類對宇宙起源和演化的認識。