在探索宇宙起源的征程中，天文学家正通过一种独特的方式，试图揭开宇宙中首批恒星的神秘面纱。这些恒星诞生于大爆炸后的黑暗时代，因距离太过遥远、光芒过于黯淡，即便借助最先进的望远镜也难以直接观测。然而，科学家们发现，通过研究一种古老的无线电信号——21厘米信号，或许能找到这些恒星的关键线索。
宇宙从完全的黑暗过渡到最初的星光闪耀，这一时期被称为“宇宙黎明”，是宇宙历史中至关重要的阶段。但首批恒星的直接观测始终难以实现，这成为天文学领域的一大难题。如今，由剑桥大学牵头的一个国际研究团队取得了突破性进展。他们证明，首批恒星质量的线索可能隐藏在一种特定的无线电信号中。这种信号由早期恒星形成区域间的氢原子产生，其起源可追溯到大爆炸后约一亿年。
科学家们通过研究最早的恒星及其遗迹如何改变21厘米信号，发现即将启用的射电天文台有望揭示年轻宇宙的演化过程——从一团近乎均匀的氢云，逐渐演变成如今结构丰富的宇宙。这一研究成果已发表在《自然·天文学》杂志上。
剑桥大学天文学研究所的安娜斯塔西娅·菲亚尔科夫教授是该研究的合著者之一。她表示：“这是一个了解宇宙第一缕光如何从黑暗中诞生的独特机会。从寒冷、黑暗的宇宙到充满恒星的宇宙，这一转变的故事我们才刚刚开始理解。”
对首批恒星的研究依赖于极其微弱的21厘米辉光，这是一种传播了超过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，它成为科学家探索宇宙最早阶段的少数途径之一。
在探索宇宙黎明的道路上，两个关键项目备受关注：REACH（用于分析宇宙氢的无线电实验）和平方公里阵列射电望远镜（SKA）。菲亚尔科夫领导着REACH项目的理论组，该项目是一个无线电天线，旨在研究宇宙黎明和再电离时代——在这一时期，首批恒星使宇宙中的中性氢原子发生了再电离。
尽管REACH项目仍处于校准阶段，但它已展现出揭示早期宇宙数据的潜力。与此同时，正在建设中的SKA将由大量天线组成，能够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首批恒星的质量、光度和分布至关重要。
菲亚尔科夫及其合作者开发了一个模型，能够为REACH和SKA预测21厘米信号，并发现该信号对首批恒星的质量非常敏感。菲亚尔科夫解释道：“我们是首个持续建模21厘米信号与首批恒星质量依赖关系的团队，模型中包含了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。这些见解源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厘米信号如何对首批恒星（被称为第三族恒星）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，因为未考虑到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、亮度及其对21厘米信号的影响。
与詹姆斯·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。菲亚尔科夫说：“将无线电数据与首批恒星的故事联系起来需要一点想象力，但其意义深远。”
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·阿塞多博士是该研究的合著者之一。他表示：“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。我们展示的证据表明，射电望远镜可以告诉我们关于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。”阿塞多博士补充道。
