來自早期宇宙的無線電信號提供了關于第一批恒星的線索 _宇宙

21厘米信號實驗對第一顆恒星質量分布的預期約束。來源：《自然天文學》
據(jù)劍橋大學：了解宇宙如何隨著第一批恒星和星系的形成從黑暗過渡到光明，是宇宙發(fā)展的一個關鍵轉折點，被稱為宇宙黎明。然而，即使使用最強大的望遠鏡，我們也無法直接觀測到這些最早的恒星，因此確定它們的性質是天文學中最大的挑戰(zhàn)之一。
現(xiàn)在，由劍橋大學領導的一個國際天文學家小組表明，我們將能夠通過研究一種特定的無線電信號來了解最早恒星的質量，這種信號是由氫原子填充恒星形成區(qū)域之間的間隙產生的，起源于大爆炸后1億年。
通過研究第一批恒星及其殘余物如何影響這一信號，即21厘米信號，研究人員表明，未來的射電望遠鏡將幫助我們了解非常早期的宇宙，以及它是如何從幾乎均勻的氫質量轉變?yōu)槲覀兘裉炜吹降牧钊穗y以置信的復雜性的。他們的研究結果發(fā)表在《自然天文學》雜志上。
“這是一個獨特的機會，可以了解宇宙的第一道光是如何從黑暗中出現(xiàn)的，”劍橋大學天文學研究所的合著者Anastasia Fialkov教授說。“從寒冷黑暗的宇宙到充滿恒星的宇宙的轉變是一個我們才剛剛開始理解的故事。”
對宇宙中最古老恒星的研究取決于21厘米信號的微弱光芒，這是一種來自130多億年前的微妙能量信號。這個信號受到早期恒星和黑洞輻射的影響，為宇宙的嬰兒期提供了一個罕見的窗口。
Fialkov領導REACH（宇宙氫分析無線電實驗）理論小組。REACH是一個無線電天線，是可以幫助我們了解宇宙黎明和再電離時代的兩個主要項目之一，當時第一批恒星使宇宙中的中性氫原子再電離。
盡管捕獲無線電信號的REACH仍處于校準階段，但它有望揭示早期宇宙的數(shù)據(jù) 。與此同時，平方公里陣列（SKA）——一個正在建設中的大型天線陣列——將繪制出廣闊天空中宇宙信號的波動圖。
這兩個項目在探測宇宙最早恒星的質量、光度和分布方面都至關重要。在目前的研究中，F(xiàn)ialkov（也是SKA的成員）和她的合作者開發(fā)了一個模型，對REACH和SKA的21厘米信號進行了預測，并發(fā)現(xiàn)該信號對第一顆恒星的質量很敏感。
“我們是第一個對第一批恒星質量的21厘米信號的依賴性進行一致建模的小組，包括紫外線星光和第一批恒星死亡時產生的X射線雙星的X射線發(fā)射的影響， ”Fialkov說，他也是劍橋大學卡夫利宇宙學研究所的成員。“這些見解來自于整合宇宙原始條件的模擬，例如大爆炸產生的氫氦成分。”
在開發(fā)他們的理論模型時，研究人員研究了21厘米的信號如何對第一批恒星（稱為第三星族恒星）的質量分布做出反應。他們發(fā)現(xiàn)，之前的研究低估了這種聯(lián)系，因為它們沒有考慮到第三星族恒星中X射線雙星（由正常恒星和坍縮恒星組成的雙星系統(tǒng)）的數(shù)量和亮度，以及它們如何影響21厘米的信號。
與詹姆斯·韋伯太空望遠鏡等光學望遠鏡捕捉生動圖像不同，射電天文學依賴于對微弱信號的統(tǒng)計分析。REACH和SKA將無法對單個恒星進行成像，但將提供有關整個恒星群、X射線雙星系統(tǒng)和星系的信息。
Fialkov說：“將無線電數(shù)據(jù)與第一顆恒星的故事聯(lián)系起來需要一些想象力，但其影響是深遠的。” 。
“我們報告的預測對我們理解宇宙中最早恒星的性質具有巨大的影響，”合著者Eloy de Lera Acedo博士說，他是REACH望遠鏡的首席研究員，也是劍橋SKA開發(fā)活動的PI 。“我們展示了證據(jù)，表明我們的射電望遠鏡可以告訴我們這些第一批恒星的質量細節(jié)，以及這些早期的光可能與今天的恒星有多么不同。
“像REACH這樣的射電望遠鏡有望解開嬰兒宇宙的奧秘，這些預測對于指導我們在南非卡魯進行的射電觀測至關重要。”
Anastasia Fialkov是劍橋大學抹大拉學院的研究員。Eloy de Lera Acedo是STFC歐內斯特·盧瑟福研究員，也是劍橋塞爾溫學院研究員。