看看这里显示的图片[点击以红移]。你看到的每一个物体都是一个星系，是数十亿颗恒星的集合。看到中间那个鲜红的小点了吗？我们看到的来自那个星系的光，在到达智利欧洲南方天文台的甚大望远镜之前，已经传播了129亿年。当宇航员分析了它以及其他少数同样遥远的星系的光时，他们能够确定早期宇宙一个关键事件的时间：宇宙“迷雾”消散、宇宙变得透明的时候。这个事件被称为再电离，当时年轻星系喷涌而出的辐射充斥着宇宙，将电子从其母氢原子中剥离出来。像这样的原子被称为电离。在此之前，氢气是中性的：每个质子都有一个电子围绕着它。之后：砰。电离了。这个时刻对宇宙来说很重要，因为它改变了光在空间中流动的模式，从而影响了我们看到它的方式。这里的关键发现是，再电离发生在约130亿年前，并且比之前想象的耗时更短，约2亿年。不仅如此，再电离的罪魁祸首可能已经被找到：大质量恒星。好的，这些就是要点。现在我将详细解释。
年轻、炽热、致密且混乱 想象一下137亿年前的宇宙。一种浓密的物质汤弥漫在空间中，是在宇宙大爆炸后的头三分钟形成的。宇宙也在膨胀和冷却：随着它的变大，它变得不那么密集，温度也随之下降。在此期间，电子和质子各自四处飞舞。任何时候，当一个电子试图与一个质子结合形成一个中性氢原子时，一个高能光子（光粒子）就会出现，并将其再次击落。在此期间，宇宙是不透明的。电子非常善于吸收光子，因此光在被电子吸走之前不会传播很远。但随着时间的推移，情况发生了变化。所有这些光子都因冷却而失去了能量。最终，它们没有足够的能量来阻止电子与质子结合，所以一旦电子与质子结合，它们就会牢牢地粘在一起。中性氢变得稳定。这几乎同时发生在整个宇宙中，被称为复合。它发生在大约37万3千年前
当这种情况发生时，宇宙对可见光变得透明，因为中性氢吸收我们看到的这类光的能力很差。然而，它非常善于吸收紫外线，而这正是我们故事的关键。直到这个时候，还没有恒星，也没有星系。但随着时间的推移，数亿年，宇宙中的气体和暗物质在引力的作用下聚集起来，开始形成星系和恒星。其中一些恒星是大质量的、炽热的和明亮的，它们将紫外线辐射充斥天空。这些紫外线随后被空间中中性的氢迅速吸收。如果紫外线光子有足够的能量，砰！它们会将电子从氢原子中炸开，使其电离。在数亿年里，宇宙一直是中性的，但随后那些讨厌的恒星被点燃，并再次开始使其电离。这就是为什么我们称之为再电离。不仅如此，所有这些时间里，宇宙仍在膨胀。随着它的膨胀，它变得不那么密集，物质在空间中分布得更稀疏。一旦恒星开始电离氢，电子和质子之间的平均距离就足够大了，以至于它们很难复合（即使它们复合了，又会有另一个紫外线光子飞来，再次撞击电子）。在紫外线辐射的洪流和宇宙膨胀之间，宇宙一直处于电离状态。这是一个如此高效的过程，以至于今天，130亿年后，宇宙仍然大部分是电离的。与被电离的同类相比，中性氢相当罕见。
很久很久以前，在一个遥远的星系群里…… 而这正是这些新结果
(PDF) 的由来。天文学家们研究了不同距离的一些星系。它们非常遥远，以至于我们看到的来自它们的光是在再电离时期发出的。通过观察我们从这些星系看到的紫外线量，我们可以确定它穿过了多少中性氢（因为气体吸收了光，使得星系看起来更暗）与电离气体相比。这些星系都非常遥远，但距离并不完全相同。请记住，光需要时间才能到达我们，所以我们看到的某个星系可能是130亿年前的样子，而另一个可能是129亿年前的样子。这有很大的区别！因为这些星系距离不同，所以天文学家们能够看到不同时期的再电离是什么样子的。果然，最遥远星系的紫外线光吸收得比较近的星系多。天文学家们发现，在宇宙大爆炸后7.8亿年，宇宙大部分是中性的，但仅在2亿年后，它就大部分电离了。换句话说，紫外线辐射的洪流在短短2亿年内就成功地电离了几乎整个宇宙，这比之前认为的要快！
啊，我现在全明白了 想一想。我们看到的一些物体距离如此遥远，以至于需要巨大的望远镜才能看到它们，尽管它们正在以比太阳亮数十亿倍的速度喷射紫外线辐射。我们正在穿过整个宇宙，去看它年轻、非常年轻时是什么样子，并且我们能够真正看到它在做什么，并理解它。这太酷了。不仅如此，另一组天文学家独立地补充了这个发现
通过解决了另一个关于它的谜团。我上面写过是恒星使宇宙再电离，但实际上那不是全部故事。巨大的黑洞吞噬物质时，它们是挑食的，当物质落入时，它会喷射出高能辐射，包括紫外线。有多少再电离的紫外线来自恒星，又有多少来自那些大黑洞？
[点击以星系化。] 另一项研究
(PDF) 观察了附近一些发出大量紫外线光的星系，这些星系比普通星系发出的紫外线要多，并且可能在早期宇宙中更常见。上图是NGC 5253，一个这样的星系，由麦哲伦望远镜拍摄。他们发现这些星系正在经历恒星形成爆发，这意味着大量大质量、炽热的恒星可以向空间中充斥紫外线。通过计算形成的恒星数量，发出的紫外线量，并将其推断到早期宇宙，他们发现恒星是130亿年前使宇宙再电离的主要罪魁祸首。这太神奇了。恒星如此之多，如此之有能量，即使在那么久以前，它们也能够电离整个宇宙！
宇宙的真正研究是宇宙本身 有一点可能会让人困惑（好吧，很多点都会，但有一点很突出），那就是如果宇宙现在是电离的，并且自由电子非常善于吸收光，为什么宇宙今天不是不透明的？这是因为宇宙的分布非常稀疏！当然，电子会吸收光，但空间中的电子数量实在太少，以至于来自遥远星系的随机光子有很大的机会在不靠近任何一个电子而被吞噬的情况下传播数十亿光年。这就是为什么宇宙是透明的，并且允许我们几乎看到它。所以你不仅要考虑中性氢在吸收紫外线方面很强，在可见光方面很弱（电离时则相反），还要考虑它的密度。在遥远的过去，它足够密集以吸收光，但现在，即使它被电离了，它也太稀薄了，无法有效地吸收光。这发生在再电离的同时，所以一旦氢被击穿，它就一直被击穿。我知道这有点令人困惑，但宇宙是一个相当复杂的地方。这就是为什么我们仍在试图弄清楚它！我们认为它遵循的规则，自然法则，实际上是相对简单而优雅的。但它们有很多，而且它们以复杂的方式相互作用。如果不是这样，我们就不会在这里研究它们了！所以，说实话，如果你仔细想想，我们就是宇宙法则化身的产物，进化到了能够研究自身的程度。
图片来源：ESO/ L. Pentericci; NASA/ESA/Hubble; Jordan Zastrow
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