宇宙试图隐藏的奥秘：21厘米信号解读

如今，由剑桥大学领导的一个国际天文学家团队表明，通过研究一种特定的无线电信号——由填充恒星形成区域之间空隙的氢原子产生，起源于大爆炸后仅一亿年——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厘米信号的电波信号，研究人员表明，未来的射电望远镜将帮助人类理解宇宙的极早期阶段，及其如何从主要由氢构成的、近乎均质的物质演变为今日所见的惊人复杂性。他们的研究成果发表在期刊《自然·天文学》(Nature Astronomy)上。

"这是了解宇宙最初的光如何从黑暗中显现的独特机会，"合著者、剑桥大学天文学研究所的安娜斯塔西娅·菲亚科夫（Anastasia Fialkov）教授表示。"宇宙从一个寒冷、黑暗的状态转变为一个充满恒星的世界，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。这个信号受到早期恒星和黑洞辐射的影响，为窥探宇宙的婴儿期提供了难得的窗口。

菲亚科夫领导着REACH（宇宙氢分析射电实验）项目的理论组。REACH是一个无线电天线，是两个可能有助于我们了解宇宙黎明（Cosmic Dawn）和再电离纪元（Epoch of Reionisation）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再电离。

尽管捕捉无线电信号的REACH仍处于校准阶段，但它有望揭示关于早期宇宙的数据。与此同时，正在建设中的大型天线阵列——平方公里阵列（Square Kilometre Array, SKA）——将测绘广阔天区中宇宙信号的波动。

这两个项目对于探测宇宙最早恒星的质量、光度和分布至关重要。在当前的研究中，菲亚科夫（她同时也是SKA的成员）及其合作者开发了一个模型，为REACH和SKA对21厘米信号作出了预测，并发现该信号对第一批恒星的质量很敏感。

"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团队，其中包括了第一批恒星死亡时产生的X射线双星所发出的紫外星光和X射线辐射的影响，"菲亚科夫表示，她也是剑桥大学卡弗里宇宙学研究所的成员。"这些见解源自整合宇宙原始条件的模拟，例如大爆炸产生的氢-氦组成。"

在开发他们的理论模型时，研究人员研究了21厘米信号如何对被称为第三族恒星（Population III stars）的第一批恒星的质量分布作出反应。他们发现，先前的研究低估了这种关联，因为它们没有考虑第三族恒星中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，但其意义是深远的，"菲亚科夫说。

"我们报告的预测对于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、SKA剑桥开发活动负责人埃洛伊·德莱拉·阿塞多（Eloy de Lera Acedo）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关于那些第一批恒星质量的细节，以及这些早期之光可能与当今恒星有多么不同。"

"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（Karoo）进行的射电观测至关重要。"

该项研究部分得到了英国研究与创新署（UKRI）下属科学与技术设施委员会（STFC）的支持。安娜斯塔西娅·菲亚科夫是剑桥大学莫德林学院（Magdalene College）的研究员。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（Selwyn College）的研究员。