尽管宇宙诞生于大爆炸的炽热光辉中，但它的大部分婴儿时期都在黑暗中度过。原始粒子的云团膨胀并冷却，形成了原子——主要是对光不透明的氢。星系尚未存在。恒星也尚未存在。这些被称为宇宙黑暗时代。那个时代笼罩在神秘之中，因为科学家们 literally 看不到当时发生了什么。然后引力发挥了作用。气体坍缩成明亮的恒星，更大的物质团块聚集形成原星系，宇宙开始发光。天文学家们已经弄清楚了这可能发生的普遍理论。现在，由于来自崭新的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）的数据，他们终于真正看到了它。
第一缕光：红色的斑点是新发现的、极其遥远的星系，它们正在以惊人的速度形成新恒星。它们对普通望远镜来说是不可见的，但对 ALMA 来说却很容易探测到。蓝色的物体是相对较近的星系，它们的引力正在放大远处星系发出的辐射（来源：ALMA/ESO/NRAO/NAOJ, J. Vieira et al.）。我的朋友 Govert Schilling 写了一篇关于 ALMA 是什么以及它如何工作的精彩解释文章。这个位于智利阿塔卡马沙漠的望远镜阵列是探索深空的一个非凡工具——它如此非凡，以至于即使还在建设中，就已经在黑暗时代的研究上取得了突破性成果。ALMA 将其 16 个碟形天线对准一系列遥远的星系，接收到了这些星系中一氧化碳分子发出的微弱毫米波辐射——比 FM 无线电波短，比热灯发出的红外线长。一氧化碳之所以重要，有两个原因。首先，它是宇宙中仅次于分子氢的第二大常见分子；因此，它产生相对较强的信号。但更重要的是，一氧化碳尤其在新生恒星诞生的区域辐射。当一个婴儿星系开始形成恒星时，一氧化碳的“照明灯”就会突然打开。
ALMA 观测到的五个遥远的“星爆”星系。这些图像是 ALMA（红色）和哈勃太空望远镜（蓝色）的合成视图。ALMA 探测到不可见的微波辐射，为清晰起见，显示为红色。每一个红点都是一个新生的星系，亮度相当于 10 万亿个太阳。（来源：ALMA/ESO/NRAO/NAOJ, J. Vieira et al.）这些婴儿星系在可见光下很难看到。它们往往被气体和尘埃笼罩，使得黑暗时代难以窥见，也让它们无法被传统望远镜探测到。然而，来自一氧化碳的辐射仍然可以穿透。这是因为一氧化碳通过发出波长为 3 毫米（大约 1/10 英寸）的辐射来“发光”，这大约是可见光波长的 5000 倍。这种长波基本上可以绕过尘埃颗粒，继续向我们传播。普通望远镜无法探测到这种波。哈勃太空望远镜也无法看到这种波。但 ALMA 可以。这让我们回到 ALMA 令人费解的新发现。由加州理工学院的博士后Joaquin Vieira领导的一个天文学家团队，锁定了 26 个疑似遥远的星系。ALMA 在其中 23 个星系中探测到强烈的一氧化碳辐射——这是星系充满新生恒星的标志。此外，通过测量宇宙膨胀如何拉伸辐射，Vieira 和他的同事们能够计算出这些星爆星系的距离，并发现它们的距离比预期的要远得多。其中大部分距离地球约 120 亿光年，这意味着我们看到它们时，它们是 120 亿年前的样子。考虑到可观测宇宙只有 137 亿年的历史，这些星系在大约宇宙年龄不到 20 亿岁时就已经照亮了黑暗时代——比天文学家预期的早了 10 亿年。ALMA 探测到的最遥远的星系，在宇宙只有 10 亿岁时就已经完全充满恒星。
引力透镜——一种天然的放大器——帮助 ALMA 看到更深邃的空间。来自遥远星系（红色）的辐射被附近星系（蓝白色）的引力弯曲和放大。这种效应使得 ALMA 看到的星系亮度增加了多达 22 倍。（来源：ALMA, L. Calçada, Y. Hezaveh et al.）好的，让我们暂时退后一步，思考一下这到底意味着什么。宇宙历史的最初几章一定极其波澜壮阔，在宇宙年龄的最初 7% 就经历了从大爆炸到迷雾、再到黑暗时代、再到第一批恒星、最后形成成熟的星系。ALMA 历史的第一章也相当令人印象深刻。在其第一个工作周，ALMA 已经揭示了关于我们银河系早期历史的新细节，以及从原子粒子汤到太阳、地球以及再到你的非凡历程。我迫不及待地想知道 ALMA 接下来会告诉我们什么。在 Twitter 上关注我：@coreyspowell
