פרופ' רנן ברקנא חוקר את היווצרות והתפתחות הכוכבים הראשונים. הוא בונה מודלים על מנת לנבא את תכונות הגלקסיות שבהן נוצרו הכוכבים הראשונים, וחוקר דרכים לצפות בהן, בעיקר באמצעות קרינת רדיו ממימן באורך גל של 21 ס"מ.
בשנת 2012 פורסם מחקר בראשותו שהציע שיטה חדשה לגילוי הכוכבים 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.