在探索宇宙起源的征程中，天文學家正通過一種獨特的方式，試圖揭開宇宙中首批恒星的神秘面紗。這些恒星誕生于大爆炸后的黑暗時代，因距離太過遙遠、光芒過于黯淡，即便借助最先進的望遠鏡也難以直接觀測。然而，科學家們發現，通過研究一種古老的無線電信號——21厘米信號，或許能找到這些恒星的關鍵線索。

宇宙從完全的黑暗過渡到最初的星光閃耀，這一時期被稱為“宇宙黎明”，是宇宙歷史中至關重要的階段。但首批恒星的直接觀測始終難以實現，這成為天文學領域的一大難題。如今，由劍橋大學牽頭的一個國際研究團隊取得了突破性進展。他們證明，首批恒星質量的線索可能隱藏在一種特定的無線電信號中。這種信號由早期恒星形成區域間的氫原子產生，其起源可追溯到大爆炸后約一億年。

科學家們通過研究最早的恒星及其遺跡如何改變21厘米信號，發現即將啟用的射電天文臺有望揭示年輕宇宙的演化過程——從一團近乎均勻的氫云，逐漸演變成如今結構豐富的宇宙。這一研究成果已發表在《自然·天文學》雜志上。

劍橋大學天文學研究所的安娜斯塔西婭·菲亞爾科夫教授是該研究的合著者之一。她表示：“這是一個了解宇宙第一縷光如何從黑暗中誕生的獨特機會。從寒冷、黑暗的宇宙到充滿恒星的宇宙，這一轉變的故事我們才剛剛開始理解?！?/p>

對首批恒星的研究依賴于極其微弱的21厘米輝光，這是一種傳播了超過130億年的古老能量形式。由于這種信號受到早期恒星和黑洞輻射的影響，它成為科學家探索宇宙最早階段的少數途徑之一。

在探索宇宙黎明的道路上，兩個關鍵項目備受關注：REACH（用于分析宇宙氫的無線電實驗）和平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）。菲亞爾科夫領導著REACH項目的理論組，該項目是一個無線電天線，旨在研究宇宙黎明和再電離時代——在這一時期，首批恒星使宇宙中的中性氫原子發生了再電離。

盡管REACH項目仍處于校準階段，但它已展現出揭示早期宇宙數據的潛力。與此同時，正在建設中的SKA將由大量天線組成，能夠繪制橫跨廣闊天區的宇宙信號起伏圖。這兩個項目對于探測首批恒星的質量、光度和分布至關重要。

菲亞爾科夫及其合作者開發了一個模型，能夠為REACH和SKA預測21厘米信號，并發現該信號對首批恒星的質量非常敏感。菲亞爾科夫解釋道：“我們是首個持續建模21厘米信號與首批恒星質量依賴關系的團隊，模型中包含了首批恒星死亡時產生的X射線雙星的紫外星光和X射線輻射的影響。這些見解源于整合了宇宙原始條件（如大爆炸產生的氫氦組成）的模擬?！?/p>

在構建理論模型的過程中，研究人員研究了21厘米信號如何對首批恒星（被稱為第三族恒星）的質量分布做出反應。他們發現，先前的研究低估了這種聯系，因為未考慮到X射線雙星——由一顆普通恒星和一顆坍縮恒星組成的雙星系統——在第三族恒星中的數量、亮度及其對21厘米信號的影響。

與詹姆斯·韋伯空間望遠鏡等光學望遠鏡不同，射電天文學依賴于對微弱信號的統計分析。REACH和SKA無法對單個恒星成像，但能提供關于整個恒星族群、X射線雙星系統及星系的信息。菲亞爾科夫說：“將無線電數據與首批恒星的故事聯系起來需要一點想象力，但其意義深遠?！?/p>

REACH望遠鏡的首席研究員、SKA在劍橋的開發活動負責人埃洛伊·德萊拉·阿塞多博士是該研究的合著者之一。他表示：“我們報告的這些預測對我們理解宇宙中最初恒星的性質具有重大意義。我們展示的證據表明，射電望遠鏡可以告訴我們關于首批恒星質量的細節，以及這些早期的光可能與今天的恒星有多么不同?！?/p>

“像REACH這樣的射電望遠鏡有望解開嬰兒期宇宙的奧秘，而這些預測對于指導我們在南非卡魯地區進行的射電觀測至關重要。”阿塞多博士補充道。