未检测到关键信号使天文学家能够确定第一批星系是什么而不是什么

研究人员已经能够对第一批星系的存在做出一些关键的决定，这是对早期宇宙中第一批恒星和星系形成时期(称为宇宙黎明)的首次天体物理学研究之一。

利用来自印度SARAS3射电望远镜的数据，由剑桥大学领导的研究人员能够观察非常早期的宇宙——大爆炸后仅2亿年——并限制了第一批恒星和星系的质量和能量输出。

与直觉相反，研究人员能够通过找不到他们一直在寻找的信号(称为21厘米氢线)来对最早的星系施加这些限制。

这种未检测到的情况使研究人员能够对宇宙黎明做出其他决定，对第一批星系施加限制，使他们能够排除包括宇宙气体加热器效率低下和无线电发射效率高的星系在内的情况。

虽然我们还不能直接观察到这些早期星系，但发表在《自然天文学》杂志上的研究结果代表了了解我们的宇宙如何从大部分空洞过渡到充满恒星的重要一步。

当第一批恒星和星系形成时，了解早期宇宙是新天文台的主要目标之一。使用SARAS3数据获得的结果是一项概念验证研究，为理解这一时期的宇宙发展铺平了道路。

SKA项目——涉及两台将于本世纪末完成的下一代望远镜——可能能够拍摄早期宇宙的图像，但对于目前的望远镜来说，挑战在于探测第一批恒星的宇宙学信号-由厚厚的氢云辐射。

这个信号被称为21厘米线——一种由早期宇宙中的氢原子产生的无线电信号。与最近发射的JWST不同，JWST将能够直接对早期宇宙中的单个星系进行成像，21厘米线的研究由剑桥领导的REACH(宇宙氢分析无线电实验)等射电望远镜进行，可以告诉我们甚至更早的星系的全部人口。REACH预计将于2023年初得出第一个结果。

为了检测这条21厘米的线，天文学家寻找早期宇宙中氢原子产生的无线电信号，该无线电信号受到第一批恒星发出的光和氢雾背后的辐射的影响。今年早些时候，同样的研究人员开发了一种方法，他们说这种方法可以让他们看穿早期宇宙的迷雾，并探测到第一批恒星发出的光。其中一些技术已经在当前的研究中付诸实践。

2018年，另一个进行EDGES实验的研究小组发表了一项结果，暗示可能检测到这种最早的光。与早期宇宙最简单的天体物理图片中预期的信号相比，报告的信号异常强烈。最近，SARAS3数据对这一检测提出异议：EDGES结果仍在等待独立观察的确认。

在对SARAS3数据的重新分析中，剑桥领导的团队测试了多种可能解释EDGES结果的天体物理场景，但他们没有找到相应的信号。相反，该团队能够对第一批恒星和星系的特性进行一些限制。

SARAS3分析的结果是对平均21厘米线的射电观测首次能够以其主要物理特性的极限形式提供对第一批星系特性的洞察。

剑桥团队与印度、澳大利亚和以色列的合作者合作，使用SARAS3实验的数据来寻找宇宙黎明的信号，当时第一个星系形成了。使用统计建模技术，研究人员无法在SARAS3数据中找到信号。

“我们正在寻找具有一定幅度的信号，”博士哈里贝文斯说。剑桥大学卡文迪什实验室的学生和该论文的第一作者。“但如果找不到那个信号，我们就可以限制它的深度。这反过来又开始告诉我们第一批星系有多亮。”

“我们的分析表明，氢信号可以告诉我们第一批恒星和星系的数量，”剑桥天文学研究所的共同主要作者阿纳斯塔西娅·菲亚尔科夫博士说。“我们的分析对第一批光源的一些关键特性进行了限制，包括最早星系的质量以及这些星系形成恒星的效率。我们还解决了这些光源发射X射线的效率如何的问题，无线电和紫外线辐射。”

“这对我们来说是迈出的第一步，我们希望这十年能发现宇宙如何从黑暗和空虚过渡到我们今天从地球上看到的恒星、星系和其他天体的复杂领域，”博士说。来自剑桥卡文迪许实验室的EloydeLeraAcedo是这项研究的共同领导者。

这项观察性研究在许多方面都是同类研究中的第一个，它排除了最早的星系在无线电波段发射时比现在的星系亮一千倍以上并且氢气加热器很差的情况。

“我们的数据还揭示了一些之前已经暗示过的事情，那就是第一批恒星和星系可能对大爆炸产生的背景辐射有可测量的贡献，并且从那时起就一直向我们传播，”deLeraAcedo说，“我们也正在为这种贡献设定一个限度。”

贝文斯说：“能够回顾如此遥远的过去——大爆炸后仅仅2亿年——并且能够了解早期宇宙，真是太棒了。”