宇宙不愿透露的奥秘：21厘米信号解读

剑桥大学领导的一个国际天文学家团队近期研究表明，通过研究一种特定的无线电信号——由填充在恒星形成区域之间空隙的氢原子产生，该信号源自宇宙大爆炸仅一亿年之后——我们将能够了解最早恒星的质量。

通过研究第一批恒星及其残余物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、近乎均匀的物质状态，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》(Nature Astronomy)杂志上。

"这是一个了解宇宙最初的光如何从黑暗中显现的独特机会，"来自剑桥大学天文学研究所的合著者阿纳斯塔西娅·菲亚尔科夫教授表示。"宇宙从寒冷黑暗的状态转变为充满恒星的状态，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，这是来自130多亿年前的微弱能量信号。该信号受到早期恒星和黑洞辐射的影响，为我们了解宇宙婴儿期提供了一个罕见的窗口。

菲亚尔科夫领导REACH（用于分析宇宙氢的射电实验）项目的理论小组。REACH是一个射电天线，它是两个可能帮助我们了解宇宙黎明和再电离时期的主要项目之一，当时第一批恒星使宇宙中的中性氢原子发生了再电离。

尽管用于捕捉无线电信号的REACH项目仍处于校准阶段，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）——一个正在建设中的巨型天线阵列——将绘制广阔天区中宇宙信号波动的图谱。

这两个项目对于探测宇宙最早恒星的质量、光度以及分布都至关重要。在当前的研究中，菲亚尔科夫——她也是SKA项目的成员——及其合作者开发了一个模型，为REACH和SKA的21厘米信号做出预测，并发现该信号对第一批恒星的质量非常敏感。

"我们是第一个一致性地模拟21厘米信号对第一批恒星质量依赖性的团队，其中包括了第一批恒星死亡时产生的X射线双星的紫外星光和X射线辐射的影响，"菲亚尔科夫说道，她同时也是剑桥大学卡弗里宇宙学研究所的成员。"这些见解源自整合了宇宙原始条件的模拟，例如宇宙大爆炸产生的氢氦组成。"

在开发理论模型的过程中，研究人员研究了21厘米信号如何对第一批恒星（称为第三族恒星）的质量分布做出反应。他们发现，先前的研究低估了这种联系，因为它们没有考虑第三族恒星中X射线双星（由一颗正常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·韦伯空间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将无法对单个恒星成像，但将提供有关整个恒星族群、X射线双星系统以及星系的信息。

"将无线电数据与第一批恒星的故事联系起来需要一点想象力，但其意义深远，"菲亚尔科夫说道。

"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巨大影响，"合著者、REACH望远镜首席研究员、SKA在剑桥发展活动的PI负责人埃洛伊·德莱拉·阿塞多博士表示。"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那些第一批恒星质量的细节，以及这些早期的光可能与今天的恒星有何不同。

"像REACH这样的射电望远镜有望揭开婴儿宇宙的奥秘，而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。"

该研究部分得到了英国研究与创新署（UKRI）下属的科学与技术设施委员会（STFC）的支持。阿纳斯塔西娅·菲亚尔科夫是剑桥大学抹大拉学院的研究员。埃洛伊·德莱拉·阿塞多是一名STFC欧内斯特·卢瑟福研究员，同时也是剑桥大学塞尔温学院的研究员。