宇宙试图隐藏之物：21厘米信号解析

现在，由剑桥大学领导的一个国际天文学家团队研究表明，我们将能够通过研究特定的射电信号（即由填充恒星形成区域之间空隙的氢原子发出的信号）来了解最早恒星的质量。该信号源自大爆炸后仅一亿年。

通过研究第一代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宇宙的极早期阶段，以及它是如何从一个主要由氢组成的、近乎均匀的物质转变为今天我们看到的惊人复杂状态的。他们的研究成果发表在《自然-天文学》杂志上。

"这是了解宇宙的第一缕光如何从黑暗中显现的独特机会，"来自剑桥大学天文研究所的合著者阿纳斯塔西娅·菲亚尔科夫教授说。"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，这是一个来自130多亿年前的微妙能量信号。这个受到早期恒星和黑洞辐射影响的信号，为窥探宇宙的婴儿期提供了一个难得的窗口。

菲亚尔科夫领导REACH（宇宙氢分析射电实验）的理论小组。REACH是一个射电天线，也是两个可能帮助我们了解宇宙黎明（Cosmic Dawn）和再电离纪元（Epoch of Reionisation）的重要项目之一。再电离纪元是指第一批恒星使宇宙中的中性氢原子发生再电离的时期。

虽然用于捕捉射电信号的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，正在建设中的平方公里阵列（SKA）——一个庞大的天线阵列——将绘制广袤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，该模型对REACH和SKA的21厘米信号进行了预测，并发现该信号对第一代恒星的质量很敏感。

"我们是第一个一致性地建模了21厘米信号对第一代恒星质量的依赖性的研究小组，其中包括了第一代恒星死亡时产生的X射线双星所发出的紫外星光和X射线辐射的影响，"同样隶属于剑桥大学卡弗里宇宙学研究所的菲亚尔科夫说。"这些见解源自于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第三族恒星（Population III stars）的第一代恒星的质量分布。他们发现，以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（由一个普通恒星和一个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，但其意义是深远的，"菲亚尔科夫说。

"我们报告中提出的预测对于我们理解宇宙中最早恒星的性质具有重大意义，"合著者、REACH望远镜首席研究员、SKA剑桥发展活动负责人埃洛伊·德莱拉·阿塞多博士说。"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代恒星质量的细节，以及这些早期恒星的光芒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）下属科学与技术设施理事会（STFC）的部分支持。阿纳斯塔西娅·菲亚尔科夫是剑桥大学抹大拉学院的院士。埃洛伊·德莱拉·阿塞多是STFC欧内斯特·卢瑟福研究员和剑桥大学塞尔温学院的院士。