宇宙试图隐藏的秘密：21厘米信号详解

现在，由剑桥大学领导的一个国际天文学家团队研究表明，通过研究一种特定的射电信号——由填充恒星形成区域间隙的氢原子产生、源自大爆炸后仅一亿年的信号——我们将有可能了解最早恒星的质量。

通过研究第一代恒星及其遗迹如何影响这种被称为“21厘米信号”的信号，研究人员证明未来的射电望远镜将帮助我们理解宇宙的极早期阶段，以及它如何从几乎均匀的、主要由氢构成的物质体，演变成我们今天所见的惊人复杂性。他们的研究成果发表在《自然·天文学》期刊上。

"这是了解宇宙第一缕光如何从黑暗中显现的独特机会，"剑桥大学天文研究所的合著者安娜斯塔西娅·菲阿尔科夫教授表示。"从寒冷黑暗的宇宙过渡到充满恒星的宇宙，这段历史我们才刚刚开始理解。"

对宇宙最古老恒星的研究依赖于21厘米信号的微弱辉光，这一精微的能量信号来自130多亿年前。该信号受到早期恒星和黑洞辐射的影响，为我们提供了窥探宇宙婴儿期的罕见窗口。

菲阿尔科夫领导REACH（宇宙氢分析射电实验）项目的理论组。REACH是一个射电天线，也是两个可能帮助我们了解宇宙黎明和再电离时期（即第一代恒星使宇宙中的中性氢原子再电离的时期）的主要项目之一。

尽管捕捉射电信号的REACH仍处于校准阶段，但它有望揭示早期宇宙的数据。与此同时，正在建设中的大型天线阵列——平方公里阵列（SKA）——将绘制天空中广阔区域内宇宙信号的波动图。

这两个项目对于探测宇宙最早恒星的质量、光度和分布都至关重要。在当前研究中，菲阿尔科夫（她同时也是SKA成员）及其合作者开发了一个模型，该模型能预测REACH和SKA将接收到的21厘米信号，并发现该信号对第一代恒星的质量具有敏感性。

"我们是首个系统化建模21厘米信号对第一代恒星质量依赖性的团队，其中包含了紫外星光的影响以及第一代恒星死亡时产生的X射线双星所发出的X射线辐射，"菲阿尔科夫解释道，她同时是剑桥大学卡夫里宇宙学研究所成员。"这些洞见源于整合宇宙原始条件的模拟，例如大爆炸产生的氢氦组成。"

在建立理论模型过程中，研究人员研究了21厘米信号如何响应被称为"星族III恒星"的第一代恒星质量分布。他们发现先前的研究低估了这种联系，因为这些研究未考虑星族III恒星中X射线双星（由普通恒星和坍缩恒星组成的双星系统）的数量与亮度，以及它们如何影响21厘米信号。

与詹姆斯·韦伯太空望远镜等能捕捉生动图像的光学望远镜不同，射电天文学依赖于对微弱信号的统计分析。REACH和SKA无法对单颗恒星成像，但将提供有关整个恒星族群、X射线双星系统和星系的信息。

"将射电数据与第一代恒星的故事联系起来需要一点想象力，但其意义深远，"菲阿尔科夫表示。

"我们报告的预测对我们理解宇宙中第一批恒星的性质具有重大意义，"合著者、REACH望远镜首席研究员、剑桥大学SKA开发活动首席科学家埃洛伊·德莱拉·阿塞多博士表示。"我们展示的证据表明，射电望远镜能告诉我们这些第一代恒星质量的细节，以及这些早期光芒可能与现今恒星存在显著差异。"

"像REACH这样的射电望远镜有望解开婴儿宇宙的奥秘，这些预测对于指导我们在南非卡鲁地区进行的射电观测至关重要。"

该研究得到了英国研究与创新署（UKRI）下属科学技术设施委员会（STFC）的部分支持。安娜斯塔西娅·菲阿尔科夫是剑桥大学莫德林学院研究员。埃洛伊·德莱拉·阿塞多是STFC欧内斯特·卢瑟福研究员及剑桥大学塞尔文学院研究员。