很久很久以前，大概在宇宙開端（大爆炸）的40萬年期間，宇宙還是處於黑暗狀態的。那時候沒有恆星或者星系，整個宇宙主要由暗淡的氫氣填充。

在之後又經過5千萬到1億年，引力慢慢地把最密集的氣體區域拉到一起，直到最終氣體在某些地方塌縮，形成第一顆恆星。

那些最初的恆星是什麼樣子的，它們是什麼時候形成的？它們是怎麼影響剩下的宇宙的呢？這些都是天文學家和天體物理學家長期思考的問題。

現在，經過12年的實驗努力，一個由科學家組成的團隊，亞蘇地球與太空探索學院天文學家朱德·鮑曼(Judd Bowman)領導的團隊，發現了宇宙中最早的恆星的「指紋」。，這一探測利用無線電信號為宇宙家族中最古老的「祖先」提供了第一證據，他們出生於宇宙大爆炸後一億八千萬年。

「做這個探測有很大的技術挑戰，因為雜訊源比我們想要的信號要亮一千倍——這就像置身於颶風中，卻試圖想要聽到蜂鳥拍打翅膀的聲音。」支持這項研究的國家科學基金會項目官員彼得·庫爾欽斯基說。「這些研究人員在沙漠中安裝了小型無線電天線，他們看到的遠比最強大的太空望遠鏡更遠，為探索早期宇宙打開了一扇新的窗戶。」

射電天文學

為了找到這些「指紋」，鮑曼的團隊使用了一種被稱為無線電分光計的地面儀器。通過他們的實驗來檢測全局的EOR特徵，研究小組測量了在南半球大部分天空接收到的所有天文信號的平均無線電頻譜，並尋找功率隨波長變化的小變化。

當無線電波進入地面天線時，它們會被接收器放大，然後由計算機進行數字化和記錄，類似於fm收音機和電視接收器的工作方式。不同之處在於，該儀器是經過非常精確的校準和設計，以儘可能一致地執行在許多無線電波長。

在這項研究中，無線電分光計探測到的信號來自於充滿年輕宇宙並存在於所有恆星和星系之間的原始氫氣。這些信號包含著豐富的信息，打開了一扇了解早期恆星以及後來的黑洞及星系是如何形成和演化的新窗口。

「我們不太可能在有生之年能看到更早的恆星歷史。」鮑曼說，「這個項目表明，一種很有前途的新技術可以發揮作用，並為幾十年來新的天體物理學發現鋪平了道路。」

這項研究的結果最近被發表在《自然》雜誌上。

意外的結果

本實驗的結果證實了一般的理論預期，即第一顆恆星何時形成，以及早期恆星最基本的性質。

「這一時期發生了什麼，」鮑曼說，「是第一顆恆星的一些輻射開始允許氫被看到，它導致氫開始吸收背景輻射，所以你開始看到它的輪廓，特別是無線電頻率。這個信息表明了恆星開始形成，開始影響它們周圍的物質。」

研究小組最初調整了儀器，以便在宇宙時間稍晚一些時候觀察，但在2015，他們決定擴大搜索範圍。羅傑斯說：「一旦我們將系統切換到這個較低的範圍，我們就開始看到一些我們覺得可能是真正的信號的東西。我們看到這種下降的強度最大，在78兆赫左右，而這種頻率相當於大爆炸後的大約一億八千萬年。就直接探測氫氣本身發出的信號而言，這是最早的。」

這項研究還顯示，宇宙中的氣體可能比預期的要冷得多(不到預期溫度的一半)，這表明，要麼天體物理學家的理論努力忽略了一些重要的東西，要麼這可能是非標準物理學的第一個證據：具體來說，重子(正常物質)可能與暗物質相互作用，並在早期宇宙中慢慢地將能量丟失給暗物質。這個概念最初是由特拉維夫大學的巴卡納提出。

「如果巴卡納的觀點得到證實，」鮑曼說，「那麼我們就學到了一些關於構成宇宙中85%的神秘暗物質的新的和基本的概念，這為我們提供了超越標準模型的物理學的第一印象。」

在這一研究領域，下一步是另一台儀器來確認這個團隊的探測，並不斷改進儀器的性能，以便更多地了解早期恆星的特性。鮑曼說：「過去兩年里，我們非常努力地驗證了檢測結果，但讓另一個小組獨立驗證是科學過程中的一個關鍵部分。」

鮑曼還希望看到人們加快努力，引進新的射電望遠鏡，如氫時代的再電離陣列(Hera)和歐文斯山谷長波長陣列(Ovrolwa)。鮑曼說：「既然我們知道了這個信號的存在，我們就需要迅速地上線新的射電望遠鏡，這樣才能更深入地挖掘信號。」

本實驗使用的天線和接收機部分由羅傑斯和麻省理工學院乾草堆天文台團隊設計和製造。ASU團隊和Monsalve在接收機中增加了自動天線反射測量系統，為控制棚屋安裝了電子設備，構建了地面平面，並為該項目進行了現場工作。目前版本的邊緣是經過多年設計迭代的結果。並不斷對校準儀器進行詳細的技術改進，以達到成功實現這一困難測量所需的精度水平。

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