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通过使用世界上最大最好的望远镜凝视远方，天文学家已经能够瞥见爆炸的恒星、星系和其他发光的宇宙信标，它们在宇宙大爆炸后仅几亿年时就已出现。 它们非常遥远，以至于它们的光现在才到达地球，即使它们是在130多亿年前发出的。
天文学家之所以能够识别早期宇宙中的那些物体，是因为它们明亮的光芒在经过漫长、横跨宇宙的旅程后仍然可见。 但是，要发现形成最早宇宙结构的原始物质——即宇宙大爆炸后最初几分钟内婴儿宇宙膨胀和冷却时产生的气体——一直是不可能的。 这种物质本身不发光，而且天文学家在所有观察到的地方，发现的都不是来自宇宙大爆炸的原始轻元素气体氢、氦和锂，而是被更重元素污染的物质，这些元素仅在恒星内部以及超新星等灾变事件中形成。
现在，一组研究人员报告称，他们发现了首批已知的原始气体团，这是宇宙最初几分钟存在的两个遗迹。 该团队通过观察遥远的类星体以及它们照亮的中间物质，发现了一对不含任何可探测重元素的气体云。 类星体是由贪婪的黑洞驱动的明亮天体，它们光的光谱质量揭示了光在到达地球的过程中所穿过的物质，这与投影仪的灯光将胶片的颜色投射到屏幕上的方式非常相似。 这项研究结果于11月10日在线发表在《科学》杂志上。
“我们发现了两个气体云，它们显示出大量的氢，所以我们知道它们在那里，”主要研究作者米歇尔·富马加利说，他是加州大学圣克鲁兹分校的研究生。 其中一个云还显示出氘的痕迹，氘也称为重氢，它的原子核不仅包含一个质子（像普通氢一样），还包含一个中子。 氘应该是在宇宙大爆炸核合成中产生的，但很容易被破坏，因此它的存在表明环境原始。 存在的氘量与关于应该从宇宙大爆炸中产生的元素混合物的理论预测相符。“但我们没有看到任何重元素（如碳、氧和铁）的痕迹，”富马加利说。“这就是告诉我们这是原始气体的原因。”
新发现的气体云，正如富马加利和他的同事们所看到的那样，存在于宇宙大爆炸后约20亿年，处于宇宙演化的一个时期，称为红移3。（红移是一种宇宙距离的度量，对应于光波在穿越膨胀宇宙的旅程中被拉伸的程度。） 到那时，第一代恒星（最初仅由原始轻元素组成）已经形成，并将它们通过核聚变反应锻造的更重元素分布到星际空间中。
但这项新的研究表明，即使在恒星开始喷射重元素之后很久，宇宙的某些角落仍然保持原始状态。“他们一直在寻找宇宙中这些特殊的角落，在这些角落里，物质还没有被污染，”麻省理工学院天文学家罗布·西姆科说，他没有参与这项新的研究。“在我们在这些环境中观察到的其他所有地方，我们都发现了这些重元素。”
气体云的原始质量引出了一个问题：为什么在宇宙大爆炸后20亿年应该已经相对丰富的重元素未能到达气体云？ 西姆科说，有两种可能性。“是没有重元素，还是有一些重元素，但它们没有混合到他们看到的气体云中？”他问道。 他补充说，从某种意义上说，来自宇宙黎明、未受重元素污染的气体如此长时间未被发现，这令人惊讶。“这些元素需要一段时间才能融合，而泄漏到周围环境需要更长的时间，”西姆科说。“宇宙中一定还有其他像这样的区域。”
富马加利说，他的团队将继续寻找类星体照亮的原始气体云，以更多地了解它们存在的位置以及它们如何避免污染。“我们几乎刚刚开始，就立即发现了这两个气体云，所以我们不知道这些云有多常见，”他说。