פרופ' רנן ברקנא חוקר את עידן היווצרות הכוכבים הראשונים ביקום. הוא בונה מודלים וסימולציות על מנת לנבא את תכונות הגלקסיות שבהן נוצרו הכוכבים והחורים השחורים הראשונים, וחוקר דרכים לצפות בהם, בעיקר באמצעות קרינת רדיו ממימן באורך גל של 21 ס"מ.
בשנת 2012 פורסם מחקר בראשותו שהציע ניבוי חדש של תבנית תצפיתית מהכוכבים הראשונים, מהתקופה המוקדמת שבה גיל היקום היה רק אחוז אחד מגילו הנוכחי. מחקר פורץ-דרך נוסף שפורסם בשנת 2014 ניבא לראשונה את החתימה התצפיתית של חורים שחורים בגלקסיות המוקדמות כתוצאה מחימום הגז הקוסמי, כשהיקום היה בן חצי מיליארד שנה. בשנת 2018 פרסם שתצפית של גלי רדיו מתקופת היווצרות הכוכבים הראשונים ביקום מראה שהחומר האפל קירר את הגז ביקום המוקדם. אם תגלית זו תוכח ע״י תצפיות נוספות, היא תהיה אבן דרך בפיזיקה: הגילוי הישיר הראשון של החומר האפל המיסתורי שמרכיב את רוב החומר ביקום.
