21厘米氢线是宇宙中中性氢原子因超精细能级跃迁产生的电磁辐射信号，其波长为21厘米（对应频率1.42 GHz）。这一信号作为揭示宇宙早期演化的重要探针，具有以下核心特征和科学价值：### 一、物理机制

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