130亿年前的信号或终将揭示首批恒星的奥秘

天文学家正在开辟研究宇宙中第一批恒星的新途径 —— 这些恒星过于遥远黯淡而无法直接观测，他们通过研究大爆炸后不久由氢原子留下的古老的21厘米无线电信号来进行探索。

理解宇宙如何从完全的黑暗转变为最初的星光闪耀，是宇宙历史中的一个重大里程碑，这一时期被称为"宇宙黎明"。然而，即便使用当今最先进的望远镜，也无法直接捕捉到这些最早的恒星，这使得揭示它们的基本属性成为天文学中最艰巨的任务之一。

由剑桥大学领导的一个国际研究团队现已证明，关于这些首批恒星质量的线索，可以在一种特定的无线电信号中找到。该信号由填充在早期恒星形成区域之间空间的氢原子产生，其起源仅在大爆炸后约一亿年。

通过研究最早的恒星及其遗迹如何改变了这种被称为21厘米信号的信号，科学家们表明，即将投入使用的射电天文台有望揭示年轻的宇宙是如何从一团近乎均匀的氢云演变成我们今天所见的结构丰富的宇宙的。这项研究结果发表在《自然·天文学》杂志上。

"这是一个了解宇宙的第一缕光如何从黑暗中诞生的独特机会，"该研究的合著者、剑桥大学天文学研究所的安娜斯塔西娅·菲亚尔科夫教授说。"从一个寒冷、黑暗的宇宙到一个充满恒星的宇宙的转变，是一个我们才刚刚开始理解的故事。"

对宇宙第一代恒星的研究依赖于极其微弱的21厘米辉光，这是一种已经传播了超过130亿年的古老能量形式。由于这种信号受到早期恒星和黑洞辐射的影响，它成为了科学家们探索宇宙最早阶段的少数途径之一。

REACH、SKA与寻找古老星光

菲亚尔科夫领导着REACH（用于分析宇宙氢的无线电实验）项目的理论组。REACH是一个无线电天线，也是两个可能帮助我们了解宇宙黎明和再电离时代的主要项目之一，在再电离时代，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，但它有望揭示关于早期宇宙的数据。与此同时，正在建设中的由大量天线组成的平方公里阵列射电望远镜 —— 则将绘制横跨广阔天区的宇宙信号起伏图。

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项目成员的菲亚尔科夫及其合作者开发了一个模型，该模型能为REACH和SKA都预测21厘米信号，并发现该信号对首批恒星的质量很敏感。

"我们是第一个持续建模21厘米信号与首批恒星质量依赖关系的团队，其中包含了来自首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，"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。"这些见解源自于整合了宇宙原始条件（如大爆炸产生的氢氦组成）的模拟。"

在构建理论模型的过程中，研究人员研究了21厘米信号如何对被称为第三族恒星的第一批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，因为它们没有考虑到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 —— 在第三族恒星中的数量、亮度以及它们如何影响21厘米信号。

对首批恒星的统计视角

与能捕捉生动图像的詹姆斯·韦伯空间望远镜等光学望远镜不同，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，但能提供关于整个恒星族群、X射线双星系统及星系的信息。

"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，但其意义是深远的，"菲亚尔科夫说。

"我们报告的这些预测对我们理解宇宙中最初恒星的性质具有重大意义，"该研究的合著者、REACH望远镜的首席研究员、SKA在剑桥的开发活动负责人埃洛伊·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关于那些首批恒星质量的细节，以及这些早期的光可能与今天的恒星有多么不同。"

"像REACH这样的射电望远镜有望解开婴儿期宇宙的奥秘，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。"

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