这幅艺术概念图展示了宇宙中的一颗早期恒星。巨大的蓝色恒星嵌入在气体和尘埃的细丝中，而宇宙微波背景 (CMB) 则显示在外边缘。研究人员最近通过测量CMB的变暗，推断出这些巨大的蓝色恒星的存在。（图片来源：N. R. Fuller/国家科学基金会）在破案时，侦探并不总能获得嫌疑人的录像或照片。相反，侦探必须费力地寻找细小、容易被忽视的线索——比如指纹。就像侦探一样，天文学家在想要解开一个谜团时，并不总是能简单地检查图像。相反，天文学家通常必须一丝不苟地拼凑微小的证据，通常是通过搜寻天空来寻找线索。而天文学家多年来一直试图解决的最大宇宙悬案之一是：第一批恒星究竟是什么时候形成的？本周，《自然》杂志刊登了一篇报道，经过十多年的密集实验调查，一个天文学家团队宣布他们终于破解了第一批恒星的谜团。研究人员利用一个位于澳大利亚沙漠中、桌面大小的简单射电天线，发现了婴儿宇宙中最早恒星的微弱“指纹”，这些恒星在宇宙诞生仅1.8亿年时形成。“这令人兴奋，因为它首次让我们看到了宇宙中一个特别重要的时期，当时第一批恒星和星系开始形成，”麻省理工学院海斯塔克天文台主任科林·朗斯代尔 (Colin Lonsdale) 在一份新闻稿中说。“这是首次有人从该时期获得任何直接观测数据。”
根据这项研究，天文学家更新了宇宙的时间线，以反映第一批恒星现在被认为出现的时间，即大爆炸后约1.8亿年。（图片来源：N. R. Fuller/国家科学基金会）在大爆炸之后和第一批恒星点燃之前，宇宙是一个非常黑暗和寒冷的地方。没有星系，没有超新星，也没有类星体。宇宙主要由中性氢气组成，漂浮在大爆炸留下的无处不在的背景辐射海洋中。随着时间的推移，引力缓慢地将氢气最密集的区域汇聚成紧密的云团，这些云团最终向内坍塌，形成了第一批恒星。当这些原始恒星首次在漆黑的虚空中发光时，它们用紫外线辐射轰击周围的氢气。这激发了气体中的氢原子，使它们以1.4吉赫兹的特定频率吸收背景辐射的能量。理论上，天文学家知道他们应该能够检测到这个过程的吸收或相应的发射，但直到这项研究，他们一直未能做到。“问题是，由于宇宙的膨胀，这种吸收将在某个 [未知] 较低频率下被观测到，”国家科学基金会项目官员彼得·库尔琴斯基 (Peter Kurczynski) 在NSF发布的一段视频中说，他支持了这项研究。“找到那个频率，找到第一批恒星开启时产生的吸收，就像同时收听你车载收音机上的所有电台，并能够分辨出你最喜欢的电台不见了。”为了找到这个未知的信号，研究团队使用了位于西澳大利亚默奇森射电天文台 (MRO) 的一台名为射电频谱仪的地面仪器。作为探测全球再电离时代特征实验 (EDGES) 的一部分，该团队测量了南部天空的绝大部分区域。在收集了所有天文信号的平均射电频谱后，该团队梳理了数据，寻找信号功率随频率的微小波动。
这项研究中使用的射电频谱仪设计相对简单，工作原理很像FM收音机接收器。它由两块矩形板组成，这两块板共同充当射电天线，并安装在坐在金属网地毯上的玻璃纤维支架上。当无线电波进入天线时，一个复杂的接收器会对其进行放大，然后计算机将其数字化记录下来。（图片来源：澳大利亚联邦科学与工业研究组织 (CSIRO Australia)）澳大利亚联邦科学与工业研究组织 (CSIRO Australia) 最初，该团队正在寻找对应于宇宙时间后期点的频率，但在2015年，他们将搜索范围扩大到更低的频率，这些频率可能来自更早的时期。“我们一将系统切换到这个较低的范围，我们就开始看到我们认为可能是真实特征的东西，”麻省理工学院海斯塔克天文台科学家兼该研究的合著者艾伦·罗杰斯 (Alan Rogers) 在一份新闻稿中说。“我们最强烈地看到这个下降在大约78兆赫，而这个频率对应于大爆炸后大约1.8亿年。就直接探测到氢气本身发出的信号而言，这一定是迄今为止最早的。”令人惊讶的是，除了探测到氢气被第一批恒星辐射轰击的第一个迹象外，研究人员可能还意外地揭示了暗物质的真实性质。研究结果表明，恒星前宇宙可能比以前认为的要冷得多。事实上，研究人员发现，早期宇宙中的氢气温度比他们预期的要低一半以上。这表明有两种可能性：天文学家的理论对我们的宇宙遗漏了一些重要的东西，或者这项研究首次探测到暗物质从普通物质中吸取能量的证据——这个理论最初由特拉维夫大学的伦娜·巴卡纳 (Renna Barkana) 提出。“如果巴卡纳的观点得到证实，”亚利桑那州立大学天文学家兼该研究的主要作者贾德·鲍曼 (Judd Bowman) 在一份新闻稿中说，“那么我们已经学到了一些关于构成宇宙85%物质的神秘暗物质的新颖而基本的东西，提供了超越标准模型物理学的首次一瞥。”然而，鲍曼很快指出，这项研究尚未得出结论。“在过去两年里，我们非常努力地验证了这一发现，”他说，“但让另一个团队独立证实它是科学过程的关键部分。”为了证实这项研究的发现，天文学家打算启用新的射电望远镜，例如氢再电离时代阵列 (HERA) 和欧文斯谷长波阵列 (OVRO-LWA)。但目前，鲍曼和他的团队已经赢得了片刻，可以沉浸在他们发现的荣耀中。“进行这项探测面临巨大的技术挑战，因为噪声源可能比他们正在寻找的信号亮一千倍。这就像置身于飓风之中，试图听到蜂鸟翅膀的拍打声，”库尔琴斯基说。“这些研究人员在沙漠中使用小型射电天线，看得比最强大的太空望远镜更远，为我们打开了一扇了解早期宇宙的新窗口。”[本文首次发表于Astronomy.com]
