天文学家发现了由大爆炸的闷烧余烬形成的古代恒星

该艺术家的渲染图展示了宇宙中第一个嵌入气态细丝中的巨大蓝色恒星，而宇宙微波背景仅在边缘可见。利用对遥远宇宙的无线电观测，亚利桑那州立大学NSF资助的研究人员Judd Bowman，麻省理工学院的Alan Rogers及其同事发现了这些早期恒星对原始气体的影响。尽管他们无法直接看到大质量恒星发出的光，但鲍曼的团队还是能够通过调暗宇宙微波背景（CMB）来推断它们的存在，这是气态灯丝吸收了恒星的紫外线的结果。CMB比预期的要暗，表明细丝可能比预期的要冷，这可能是由于与暗物质的相互作用所致。

天文学家第一次检测到来自早期宇宙中出现的恒星的信号。研究人员使用比冰箱大很多的无线电天线发现，在大爆炸的1.8亿年之内，古老的太阳活跃着。

来自亚利桑那州立大学（ASU），麻省理工学院（MIT）和科罗拉多大学博尔德分校的天文学家，通过他们的实验来发现全球EoR（电离时代）签名（EDGES）项目，从而发现了这一发现。由国家科学基金会（NSF）提供。他们在3月1日的《自然》杂志上报告了他们的发现。

美国国家科学基金会（NSF）的彼得·库钦斯基（Peter Kurczynski）解释说，一个很小的，冰箱大小的天线如何能够首次探测到宇宙的原始恒星。

该项目的首席研究员，亚利桑那大学的天文学家贾德·鲍曼（Judd Bowman）说：“发现这种微小的信号为早期宇宙打开了一个新的窗口。”“望远镜看不到足够远的距离来直接成像这样的古老恒星，但是我们已经看到它们在从太空到达的无线电波中打开时的情况。”

早期宇宙模型预测这类恒星是巨大的，蓝色的且寿命短的。但是，由于望远镜看不到它们，所以天文学家一直在寻找间接证据，例如渗透到宇宙中的背景电磁辐射发生了明显变化，称为宇宙微波背景（CMB）。

例如，在CMB无线电信号中强度应该出现小幅下降，但是地球拥挤的无线电波环境阻碍了天文学家的搜索。这种下降出现在65兆赫兹（MHz）和95兆赫之间的波长上，与FM无线电拨盘上一些最广泛使用的频率以及从银河系自然发出的迅猛无线电波重叠。

NSF计划负责人Peter Kurczynski说：“进行这种检测面临着巨大的技术挑战。”“噪声源的亮度可能是信号的10,000倍-就像正处于飓风之中并试图听到蜂鸟翅膀的襟翼一样。”

更新的宇宙时间线反映了最近的发现，即大爆炸之后的1.8亿年，第一批恒星诞生了。这个时间表背后的研究是由亚利桑那州立大学的贾德·鲍曼及其同事在美国国家科学基金会的资助下进行的。

尽管有障碍，天文学家仍然相信找到这样的信号是可能的，这要归功于先前的研究表明，第一批恒星释放出大量的紫外线（UV）光。光线与自由浮动的氢原子相互作用，从而开始吸收周围的CMB光子。

麻省理工学院Haystack天文台的合著者艾伦·罗杰斯（Alan Rogers）说：“您开始在特定的无线电频率上看到氢气的轮廓。”“这是恒星开始形成并开始影响其周围介质的第一个真实信号。”

EDGES团队在他们的论文中报告说，在无线电波数据中看到清晰的信号，并在该过程开始时检测到CMB强度下降。随着恒星聚变的继续，其产生的紫外光开始将自由漂浮的氢原子撕裂，在一个称为电离的过程中剥离了它们的电子。

早期恒星死亡时，留下的黑洞，超新星和其他物体继续电离过程，并用X射线加热剩余的游离氢，最终使信号消失。EDGES数据显示，里程碑发生在大爆炸之后约2.5亿年。

在每种仪器中，无线电波都是由天线收集的，该天线由水平安装在金属网上方的玻璃纤维腿上的两个矩形金属面板组成。EDGES检测要求默奇森射电天文台保持无线电安静，因为澳大利亚国家立法限制了在该地点附近使用无线电发射器。这一发现为其他强大的低频设施（包括HERA和即将推出的SKA-low）的后续观测奠定了基础。CSIRO澳大利亚

NSF投资

EDGES始于十多年前，当时鲍曼（Bowman）和罗杰斯（Rogers）提出用专用接收器制造独特的天线，该系统可以检测目标无线电频段上的干净信号。通过从2009年开始的一系列NSF资助，研究人员构建了该仪器，完善了校准方法，并开发了用于提炼信号数据的统计技术。

鲍曼是科罗拉多大学博尔德分校的合著者劳尔·蒙萨尔维（Raul Monsalve）及其合作者，添加了诸如自动系统（用于测量天线反射以评估系统的性能），控制容纳电子设备的小屋以及称为接地层的组件等元素。

有了这些工具，研究人员在沙漠中建立了EDGES天线，以消除尽可能多的无线电噪声，并在该国联邦科学与工业研究组织（Australia）的澳大利亚默奇森射电天文台（Murchison Radio-astronomy Observatory）上选择了一个隔离地点（ CSIRO）。

一旦信号出现在他们的数据中，天文学家就开始了长达数年的过程，以检查和重新检查其发现结果是否存在任何已知的仪器错误原因，并排除潜在的无线电干扰源。总体而言，EDGES进行了数十次验证测试，以确保信号真正来自太空。

在确认信号的同时，EDGES数据也提出了新的问题，因为信号强度是模型预测值的两倍。研究人员认为，这意味着大爆炸发生后不久，氢气雾就会比预期的要冷，或者背景辐射水平要比CMB的光子高得多。研究作者认为，一种可能性是暗物质的相互作用可能解释了这种作用。

“如果这个想法得到证实，”鲍曼说，“那么，我们就知道了神秘的暗物质的新发现和基础知识，而暗物质占了宇宙中物质的85％。这将提供标准模型之外的物理学的第一印象。”

更大的无线电阵列正在继续搜索，并且有望超越最初的EDGES研究成果，从而获得对最早的恒星和星系的更多了解。

Kurczynski说：“这项发现开启了我们对我们所看到的世界如何形成的理解的新篇章。”“由于天线与FM收音机的区别不大，而且经过大量的照顾和独创性，研究人员发现干涉仪尚未检测到某些东西，这些干涉仪需要数百根天线，复杂的数据处理和数百小时的观察时间。间接地，他们比哈勃太空望远镜更远地寻找最早恒星的证据。”

出版物：贾德·鲍曼（Judd D.Bowman）等人，“在天空平均频谱中以78兆赫为中心的吸收剖面”，《自然》第555卷，第67-70页（2018年3月1日）doi：10.1038 / nature25792