Zajrzeć w ciemność. Nowy sygnał radiowy pomoże odkryć masy pierwszych we Wszechświecie gwiazd
Astronomowie opracowali nowy model, który pozwoli określić masę pierwszych gwiazd we Wszechświecie na podstawie subtelnego sygnału radiowego z czasów tuż po Wielkim Wybuchu. Badanie opublikowane w Nature Astronomy otwiera nowy rozdział w poznawaniu tzw. Kosmicznego Świtu
Chociaż teleskopy takie jak JWST umożliwiają obserwację odległych galaktyk, pierwsze gwiazdy pozostają poza ich zasięgiem. „To wyjątkowa szansa, by dowiedzieć się, jak z ciemności wyłoniło się pierwsze światło Wszechświata” – mówi prof. Anastasia Fialkov z Instytutu Astronomii Uniwersytetu w Cambridge, dodając: „Opowieść o przejściu od zimnego, ciemnego Wszechświata do takiego, który rozświetliły gwiazdy, dopiero zaczynamy poznawać”.
Kluczowym źródłem informacji okazuje się tzw. sygnał 21 cm – słabe promieniowanie emitowane przez neutralne atomy wodoru. Pochodzący sprzed ponad 13 mld lat, sygnał ten niesie ślady wpływu, jaki wywierały na otoczenie pierwsze gwiazdy i czarne dziury.
Jak gwiazdy wpływały na wodór
Zespół kierowany przez Fialkov, teoretyczkę współtworzącą międzynarodowy projekt REACH, opracował model pokazujący, jak masa pierwszych gwiazd wpływała na sygnał 21 cm. Model uwzględnia również promieniowanie ultrafioletowe oraz emisję rentgenowską pochodzącą z tzw. układów podwójnych, w których jedna z gwiazd uległa kolapsowi.
„Jesteśmy pierwszym zespołem, który spójnie opisał zależność sygnału 21 cm od masy pierwszych gwiazd, w tym wpływ promieniowania rentgenowskiego z układów podwójnych typu X-ray binary” – wyjaśnia Fialkov, która pracuje także w Kavli Institute for Cosmology. „Nasze wnioski opierają się na symulacjach warunków pierwotnych we Wszechświecie, czyli m.in. składu wodorowo-helowego pochodzącego z Wielkiego Wybuchu.”
Nie gwiazdy, lecz ich populacje
Nowy model stworzony przez badaczy jest narzędziem teoretycznym, które pomoże przyszłym obserwacjom z wykorzystaniem dwóch kluczowych radioteleskopów: REACH oraz SKA (Square Kilometre Array). REACH, obecnie w fazie kalibracji, rejestruje sygnały radiowe z pustkowia w Karoo w RPA. SKA – największy tego typu projekt na świecie – ma mapować fluktuacje sygnałów na niebie z niespotykaną dotąd precyzją.
REACH ani SKA nie dostarczą jednak obrazów pojedynczych gwiazd. „Nie widzimy obiektów – widzimy statystykę” – tłumaczy Fialkov, dodając: „Trzeba jednak tylko odrobinę wyobraźni, by połączyć te dane z historią pierwszych świateł we Wszechświecie”.
Gwiazdy inne niż dzisiejsze
W badaniu opublikowanym 20 czerwca 2025 r. w Nature Astronomy autorzy wykazują, że właściwości sygnału 21 cm są silnie powiązane z masą gwiazd typu III populacji – hipotetycznych pierwszych obiektów gwiazdowych. Kluczowe znaczenie ma tu fakt, że wcześniejsze modele nie uwzględniały odpowiednio liczby i jasności układów podwójnych emitujących promieniowanie rentgenowskie.
„Przewidywania, które prezentujemy, mają ogromne znaczenie dla naszego rozumienia natury pierwszych gwiazd” – podkreśla dr Eloy de Lera Acedo, główny badacz projektu REACH i kierownik zespołu SKA w Cambridge. „Pokazujemy, że nasze radioteleskopy mogą przekazać informacje o masach tych obiektów oraz o tym, jak bardzo różniły się od dzisiejszych gwiazd”.
Kosmiczne laboratorium w RPA
Obserwacje prowadzone przez REACH w RPA już teraz dostarczają danych, które posłużą do testowania modelu Fialkov i jej zespołu. „Radioteleskopy takie jak REACH dają szansę na rozwikłanie tajemnic dzieciństwa Wszechświata. Nasze przewidywania są niezbędne, by ukierunkować obserwacje prowadzone z Karoo” – dodaje Acedo.
Projekt otrzymał wsparcie od Science and Technology Facilities Council (UKRI). Anastasia Fialkov jest członkinią Magdalene College, a Eloy de Lera Acedo – stypendystą STFC Ernest Rutherford Fellowship i członkiem Selwyn College w Cambridge.
Źródła:
Artykuł w Nature Astronomy:
Determination of the mass distribution of the first stars from the 21-cm signal, DOI: 10.1038/s41550-025-02575-x