21厘米信号实验对第一颗恒星质量分布的预期约束。来源：《自然天文学》
（神秘的地球）据剑桥大学：了解宇宙如何随着第一批恒星和星系的形成从黑暗过渡到光明，是宇宙发展的一个关键转折点，被称为宇宙黎明。然而，即使使用最强大的望远镜，我们也无法直接观测到这些最早的恒星，因此确定它们的性质是天文学中最大的挑战之一。
现在，由剑桥大学领导的一个国际天文学家小组表明，我们将能够通过研究一种特定的无线电信号来了解最早恒星的质量，这种信号是由氢原子填充恒星形成区域之间的间隙产生的，起源于大爆炸后1亿年。
通过研究第一批恒星及其残余物如何影响这一信号，即21厘米信号，研究人员表明，未来的射电望远镜将帮助我们了解非常早期的宇宙，以及它是如何从几乎均匀的氢质量转变为我们今天看到的令人难以置信的复杂性的。他们的研究结果发表在《自然天文学》杂志上。
“这是一个独特的机会，可以了解宇宙的第一道光是如何从黑暗中出现的，”剑桥大学天文学研究所的合著者Anastasia Fialkov教授说。“从寒冷黑暗的宇宙到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。”
对宇宙中最古老恒星的研究取决于21厘米信号的微弱光芒，这是一种来自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，为宇宙的婴儿期提供了一个罕见的窗口。
Fialkov领导REACH（宇宙氢分析无线电实验）理论小组。REACH是一个无线电天线，是可以帮助我们了解宇宙黎明和再电离时代的两个主要项目之一，当时第一批恒星使宇宙中的中性氢原子再电离。
尽管捕获无线电信号的REACH仍处于校准阶段，但它有望揭示早期宇宙的数据。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——将绘制出广阔天空中宇宙信号的波动图。
这两个项目在探测宇宙最早恒星的质量、光度和分布方面都至关重要。在目前的研究中，Fialkov（也是SKA的成员）和她的合作者开发了一个模型，对REACH和SKA的21厘米信号进行了预测，并发现该信号对第一颗恒星的质量很敏感。
“我们是第一个对第一批恒星质量的21厘米信号的依赖性进行一致建模的小组，包括紫外线星光和第一批恒星死亡时产生的X射线双星的X射线发射的影响，”Fialkov说，他也是剑桥大学卡夫利宇宙学研究所的成员。“这些见解来自于整合宇宙原始条件的模拟，例如大爆炸产生的氢氦成分。”
在开发他们的理论模型时，研究人员研究了21厘米的信号如何对第一批恒星（称为第三星族恒星）的质量分布做出反应。他们发现，之前的研究低估了这种联系，因为它们没有考虑到第三星族恒星中X射线双星（由正常恒星和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厘米的信号。
与詹姆斯·韦伯太空望远镜等光学望远镜捕捉生动图像不同，射电天文学依赖于对微弱信号的统计分析。REACH和SKA将无法对单个恒星进行成像，但将提供有关整个恒星群、X射线双星系统和星系的信息。
Fialkov说：“将无线电数据与第一颗恒星的故事联系起来需要一些想象力，但其影响是深远的。”。
“我们报告的预测对我们理解宇宙中最早恒星的性质具有巨大的影响，”合著者Eloy de Lera Acedo博士说，他是REACH望远镜的首席研究员，也是剑桥SKA开发活动的PI。“我们展示了证据，表明我们的射电望远镜可以告诉我们这些第一批恒星的质量细节，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宇宙的奥秘，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。”
Anastasia Fialkov是剑桥大学抹大拉学院的研究员。Eloy de Lera Acedo是STFC欧内斯特·卢瑟福研究员，也是剑桥塞尔温学院研究员。
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