宇宙试图隐藏的秘密：21厘米谱线信号解密

现在，由剑桥大学领导的一个国际天文学家团队证明，我们可以通过研究一个特定的射电信号——由填充恒星形成区域之间空隙的氢原子产生——来了解最早恒星的质量，该信号源自大爆炸后仅1亿年。

通过研究最早的恒星及其残余物如何影响这个被称为21厘米信号的信号，研究人员表明，未来的射电望远镜将帮助我们理解非常早期的宇宙，以及它如何从一个主要由氢组成的近乎均质的物质转变为今天我们看到的惊人复杂性。他们的研究结果发表在《自然·天文学》期刊上。

"这是一个独特的机会，可以了解宇宙的第一束光如何从黑暗中诞生，"来自剑桥大学天文研究所的合著者安娜斯塔西娅·菲亚尔科夫教授说。"从一个寒冷黑暗的宇宙转变为一个充满恒星的宇宙，这个故事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，这是一个来自130多亿年前的微弱能量信号。这个信号受到早期恒星和黑洞辐射的影响，为观测宇宙的婴儿期提供了一个罕见的窗口。

菲亚尔科夫领导着REACH（宇宙氢分析射电实验）的理论小组。REACH是一个射电天线，是可能帮助我们了解宇宙黎明和再电离纪元（即第一批恒星使宇宙中的中性氢原子重新电离的时期）的两个主要项目之一。

尽管捕获射电信号的REACH仍处于校准阶段，但它有望揭示有关早期宇宙的数据。与此同时，平方公里阵列（SKA）——一个正在建设中的大型天线阵列——将绘制广阔天区中宇宙信号的波动图。

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。在当前的研究中，同时也是SKA成员的菲亚尔科夫及其合作者开发了一个模型，该模型为REACH和SKA对21厘米信号做出了预测，并发现该信号对第一批恒星的质量敏感。

"我们是第一个系统地模拟21厘米信号对第一批恒星质量的依赖性的研究小组，包括第一批恒星死亡时产生的X射线双星发出的紫外星光和X射线辐射的影响，"同样隶属于剑桥大学卡夫里宇宙学研究所的菲亚尔科夫说。"这些见解源自整合了宇宙原始条件的模拟，例如大爆炸产生的氢氦组成。"

在建立理论模型的过程中，研究人员研究了21厘米信号如何响应被称为星族III的第一批恒星的质量分布。他们发现，先前的研究低估了这种联系，因为它们没有考虑星族III恒星中X射线双星（由一颗普通恒星和一颗坍缩恒星组成的双星系统）的数量和亮度，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无法对单个恒星成像，但将提供关于整个恒星族群、X射线双星系统和星系的信息。

"将射电数据与第一批恒星的历史关联起来需要一点想象力，但其意义是深远的，"菲亚尔科夫说。

"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，"合著者埃洛伊·德莱拉·阿塞多博士说，他是REACH望远镜的首席研究员，也是SKA研发活动在剑桥方面的负责人。"我们展示的证据表明，我们的射电望远镜可以告诉我们有关这些第一批恒星质量的细节，以及这些早期的星光可能与今天的恒星有多么不同。

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

这项研究得到了英国研究与创新署（UKRI）下属的科学与技术设施理事会（STFC）的部分支持。安娜斯塔西娅·菲亚尔科夫是剑桥大学莫德林学院的院士。埃洛伊·德莱拉·阿塞多是STFC欧内斯特·卢瑟福研究员，也是剑桥大学塞尔温学院的院士。