Att förstå hur universum övergick från mörker till ljus med bildandet av de första stjärnorna och galaxerna är en viktig vändpunkt i universums utveckling, känd som den kosmiska gryningen. Men även med de mest kraftfulla teleskopen kan vi inte direkt observera dessa tidigaste stjärnor, så att fastställa deras egenskaper är en av de största utmaningarna inom astronomin.
Nu har en internationell grupp astronomer under ledning av University of Cambridge visat att vi kommer att kunna lära oss mer om de tidigaste stjärnornas massa genom att studera en specifik radiosignal – skapad av väteatomer som fyller luckorna mellan stjärnbildande regioner – som uppstod bara hundra miljoner år efter Big Bang.
Genom att studera hur de första stjärnorna och deras rester påverkade denna signal, kallad 21-centimeterssignalen, har forskarna visat att framtida radioteleskop kommer att hjälpa oss att förstå det mycket tidiga universum och hur det förvandlades från en nästan homogen massa av främst väte till den otroliga komplexitet vi ser idag. Deras resultat rapporteras i tidskriften Nature Astronomy.
”Detta är en unik möjlighet att lära oss hur universums första ljus uppstod ur mörkret”, säger medförfattaren professor Anastasia Fialkov från Cambridge Institute of Astronomy. ”Övergången från ett kallt, mörkt universum till ett universum fyllt av stjärnor är en historia som vi bara börjar förstå.”
Studien av universums äldsta stjärnor bygger på det svaga skenet från en 21 centimeter lång signal, en subtil energisignal från för över 13 miljarder år sedan. Signalen, som påverkas av strålningen från tidiga stjärnor och svarta hål, ger en sällsynt inblick i universums barndom.
Fialkov leder teorigruppen REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen). REACH är en radioantenn och ett av två stora projekt som kan hjälpa oss att lära oss mer om den kosmiska gryningen och reioniseringsepoken, när de första stjärnorna reioniserade neutrala väteatomer i universum.
Även om REACH, som fångar upp radiosignaler, fortfarande befinner sig i kalibreringsfasen, lovar den att avslöja data om det tidiga universum. Under tiden kommer Square Kilometer Array (SKA) – en enorm antennarray som är under uppbyggnad – att kartlägga fluktuationer i kosmiska signaler över stora delar av himlen.
Båda projekten är avgörande för att undersöka massan, ljusstyrkan och fördelningen av universums tidigaste stjärnor. I den aktuella studien har Fialkov, som också är medlem i SKA, och hennes medarbetare utvecklat en modell som gör förutsägelser om 21-centimeterssignalen för både REACH och SKA, och funnit att signalen är känslig för de första stjärnornas massa.
”Vi är den första gruppen som konsekvent har modellerat beroendet mellan 21-centimeterssignalen och de första stjärnornas massa, inklusive påverkan av ultraviolett stjärnljus och röntgenstrålning från röntgenbinärer som uppstår när de första stjärnorna dör”, säger Fialkov, som också är medlem i Kavli Institute for Cosmology i Cambridge. ”Dessa insikter härrör från simuleringar som integrerar universums ursprungliga förhållanden, såsom den väte- och heliumkomposition som uppstod vid Big Bang.”
Vid utvecklingen av sin teoretiska modell studerade forskarna hur 21-centimeterssignalen reagerar på massfördelningen hos de första stjärnorna, så kallade Population III-stjärnor. De fann att tidigare studier har underskattat detta samband, eftersom de inte tog hänsyn till antalet och ljusstyrkan hos röntgenbinärer – binära system bestående av en normal stjärna och en kollapsad stjärna – bland Population III-stjärnor, och hur dessa påverkar 21-centimeterssignalen.
Till skillnad från optiska teleskop som James Webb Space Telescope, som fångar levande bilder, förlitar sig radioastronomi på statistisk analys av svaga signaler. REACH och SKA kommer inte att kunna avbilda enskilda stjärnor, utan kommer istället att ge information om hela populationer av stjärnor, röntgenbinära system och galaxer.
”Det krävs lite fantasi för att koppla radiodata till historien om de första stjärnorna, men konsekvenserna är djupgående”, säger Fialkov.
”De förutsägelser vi rapporterar har enorma konsekvenser för vår förståelse av de allra första stjärnornas natur i universum”, säger medförfattaren Dr Eloy de Lera Acedo, huvudforskare för REACH-teleskopet och PI vid Cambridge för SKA:s utvecklingsaktiviteter. ”Vi visar bevis för att våra radioteleskop kan ge oss detaljer om massan hos dessa första stjärnor och hur dessa tidiga ljus kan ha skiljt sig mycket från dagens stjärnor.
Radioteleskop som REACH lovar att avslöja mysterierna i det unga universum, och dessa förutsägelser är avgörande för att styra de radioobservationer vi gör från Karoo i Sydafrika.”
Anastasia Fialkov är Fellow vid Magdalene College, Cambridge. Eloy de Lera Acedo är STFC Ernest Rutherford Fellow och Fellow vid Selwyn College, Cambridge.
Mer information: Bestämning av massfördelningen hos de första stjärnorna utifrån 21-cm-signalen, Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-025-02575-x
