大约130亿年前，宇宙从黑暗中崛起，迎来了宇宙的黎明。随着星系被恒星点亮，它们改变了周围环境的化学成分，使得光能够清晰地照亮整个宇宙。
窥探那个时期非常困难。但是，通过能够观测数十亿光年之外——也就是回溯数十亿年前——的望远镜，科学家们对宇宙早期面貌有了更好的认识。
在周日于美国天文学会第235次会议上强调的一项研究中，由亚利桑那州立大学的 Vithal Tilvi 领导的天文学家们发现了一个迄今为止发现的最遥远的星系团。这些年轻、明亮的物体正处于清除早期宇宙的迷雾之中，向天文学家们展示了从黑暗到光明是如何实现的。
这项工作已提交给《天体物理学杂志》，并在预印本网站arXiv上发布。
扫清道路
在宇宙所谓的“黑暗时代”——大约在大爆炸后半亿年开始——充斥宇宙的丰富氢原子是中性的（包含一个质子和一个电子）。
中性氢会像雾中的前灯一样散射光线，因此一个充满它的宇宙很难看透。随着第一批星系形成恒星，那些年轻、明亮的太阳开始发出高能光。它们的光使周围的氢电离，将电子击离。电离后的氢不再散射光，因此在大约大爆炸后10亿年，迷雾已经散去，光线可以自由传播。
“这有点像冰冻的湖面在春天融化：物质还在那里，是同一组原子，但它们的物理状态发生了变化，”团队成员、美国宇航局戈达德太空飞行中心 (NASA’s Goddard Space Flight Center) 的 James Rhoads 在新闻发布会上说。“它们的性质发生了变化，这种变化在随后130亿年里都没有再逆转。”
吹出气泡
尽管天文学家们在理解这个称为再电离的转变方面取得了进展，但他们仍未完全弄清楚它是如何发生的。
根据模拟，早期星系以气泡的形式电离了它们的环境，这些气泡膨胀并连接，直到整个宇宙都被电离。但这些模拟提出了几种再电离可能发生的途径。
为了找出哪种情景是正确的，该团队使用了美国国家光学天文台 (National Optical Astronomy Observatory) 的极宽视场红外成像仪 (Extremely Wide Field Infrared Imager, NEWFIRM)，安装在基特峰 (Kitt Peak) 的4米迈亚尔望远镜 (Mayall Telescope) 上，来搜索一种特定波长的光。这种被称为莱曼阿尔法 (Lyman-alpha) 的光是由年轻的星系和恒星产生的。虽然这种光是以紫外波长发射的，但随着时间推移，它被红移（拉伸）了。如今的天文学家必须以红外光的形态来搜索它。而任何在该巡天中出现的早期星系，都必须已经电离了足够多的周围环境，使其莱曼阿尔法光能够穿过，而不是被散射掉。
该团队发现了三个符合他们寻找条件的遥远星系。它们共同组成了一个名为 EGS77 的星系团。这是迄今为止观测到的最遥远的星系团。由于观测遥远的星系就像回望过去，天文学家们看到 EGS77 时，它大约在大爆炸后6.8亿年，当时宇宙的年龄只有现在的5%。
每个星系都正在形成一个直径约200万至300万光年的电离氢气泡，这足够大，光线可以从该区域自由逃逸。
更重要的是，这些气泡如此之大，以至于它们相互重叠，在星系团周围形成了一个更大、单一的充满电离氢的空间区域。
EGS77 是第一个被捕捉到处于再电离过程中的星系团。这一发现为更深入地理解早期宇宙中这一至关重要但难以观测的转变打开了大门。
“再电离是典型氢原子生命周期中最后一次发生有意义的事情，理解这段历史非常重要，”Rhoads 说。“如果你看看有多少星系能看到莱曼阿尔法，你就可以开始统计宇宙中有多少部分一定是电离的。所以，我们通过在宇宙历史的不同时期这样做，来绘制再电离的进程图。”
这最终将有助于天文学家们精确揭示第一批恒星和星系是如何开启的，以及它们的光是如何永远改变了宇宙。
