根据剑桥大学主导的国际研究团队在《自然·天文学》发表的成果，结合相关领域研究进展，对21厘米信号与宇宙早期恒星质量的关联性及其科学意义可总结如下： --- ### 一、21厘米信号作为宇宙黎明探测的关键载体 1. **信号物理机制** 21厘米信号是中性氢原子在超精细能级跃迁时释放的特定波长辐射，其强度分布反映了早期星际介质的电离状态。该信号受第一代恒星（Population III）紫外线辐射及X射线双星系统的双重调制。研究发现，X射线双星（由主序星与黑洞/中子星组成）产生的硬X射线能穿透星际介质，显著改变中性氢的加热效率，进而影响21厘米信号的各向异性特征。 2. **技术突破与实验设计** - **REACH实验**：采用宽频带背腔天线设计（50-200 MHz），通过贝叶斯分析分离前景辐射噪声，实现对微弱21厘米信号的高精度提取。其南非台址（与HERA共享）可有效屏蔽地面射频干扰。 - **SKA低频阵列**：通过分布式的干涉阵设计，结合数字多波束合成技术，计划实现宇宙再电离时期大尺度结构的高动态成像，灵敏度较传统设备提升2个数量级。模拟显示，SKA1-low阶段可探测到红移z≈15-20的21厘米信号功率谱畸变，直接约束第一代恒星质量分布。 --- ### 二、第一代恒星质量分布的模型约束 1. **Population III恒星的物理特征** 理论模型表明，早期恒星质量可能远超现今恒星（可达数百太阳质量），其超新星爆发通过金属丰度反馈抑制后续低质量恒星形成。研究团队首次整合了紫外辐射与X射线双星对中性氢电离的耦合效应，发现恒星质量分布显著影响21厘米信号的频率依赖性和空间涨落幅度。 2. **观测限制与挑战** 现有光学观测（如JWST）因尘埃遮蔽和红移限制难以直接探测Population III恒星。射电统计方法通过分析21厘米信号的全局吸收谷（Global Absorption Trough）和涨落功率谱，可推断恒星形成效率及质量函数斜率。例如，若信号吸收谷中心频率向高频偏移，可能暗示更高质量恒星主导早期电离。 --- ### 三、科学意义与未来展望 1. **宇宙学参数的新约束** 21厘米信号的非高斯性特征可揭示暗物质粒子属性（如温暗物质与冷暗物质模型的分辨），并为中微子质量上限提供独立验证。此外，信号各向异性与宇宙曲率的关联性可能为暴涨模型提供新证据。 2. **技术协同与多信使探测** - **低频射电阵列互补**：REACH侧重全天平均谱测量，SKA则通过宽视场成像解析电离气泡拓扑结构，二者结合可突破单一观测模式的系统误差。 - **跨波段验证**：未来可通过太赫兹探测器（如MKID技术）对分子云坍缩区进行谱线追踪，交叉验证21厘米信号反映的恒星形成历史。 --- ### 四、研究局限与改进方向 当前模型仍存在以下不确定性：（1）X射线双星产率与初始质量函数的关联尚未完全厘清；（2）星际介质湍流对信号空间分辨率的稀释效应需更高精度流体模拟；（3）地月空间干扰（如鸿蒙计划提出的月球轨道阵列）可能为下一代实验提供更洁净观测环境。 --- ### 引用文献
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Journal Reference:
T. Gessey-Jones, N. S. Sartorio, H. T. J. Bevins, A. Fialkov, W. J. Handley, E. de Lera Acedo, G. M. Mirouh, R. G. Izzard, R. Barkana.Determination of the mass distribution of the first stars from the 21-cm signal.Nature Astronomy, 2025; DOI:10.1038/s41550-025-02575-x
