在2009年9月初的一个不眠之夜，加思·伊林沃思和他的团队独自拥有了早期的宇宙。应美国宇航局的要求，伊林沃思、雷查德·鲍文斯和帕斯卡·奥伊施在过去的一周里一直盯着他们在加州大学圣克鲁兹分校的电脑屏幕，扫描数百张由哈勃太空望远镜上新安装的红外相机在多日曝光中记录下来的模糊星系的黑白画像。美国宇航局只是希望这三位天文学家预览一下这些图像，并确保相机工作正常，然后该机构再更广泛地发布这些数据。
但伊林沃思、鲍文斯和奥伊施希望他们能发现更多——至少其中一些光斑将被证明是宇宙中最早形成的星系，距离宇宙大爆炸不到10亿年。即使对这些天体的一瞥，也能为宇宙学中的一些最大问题提供新的见解，从第一批恒星的本质到星系形成的动荡开端。
在那一周，天文学家开始关注二十几个微小的候选图像——每一个都如此暗淡和粗糙，以至于它们很容易被认为是相机数字传感器中的噪声。但随着他们的分析不断深入，这些光斑显然具有正确的颜色，只出现在相机最红的滤镜中——这正是新生星系在非常遥远的距离和非常高的红移下所期望看到的。伊林沃思说，当三位同事开始将每个候选者的曝光数字地叠加在一起时，“突然它们就出现了”——模糊但无可否认的星系图像。“九月的那一周是我职业生涯中最激动人心的时刻之一！”
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻工作 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
到那一周结束时，他和鲍文斯以及奥伊施已经在arXiv预印本服务器上发布了两篇草稿论文，详细介绍了他们首次收集的20多个来自星系形成时代的星系，大约在130亿年前，当时宇宙只有6亿到8亿年的历史。从那时起，其他研究人员对同一小片天空（称为哈勃超深场 (HUDF)）和其他四个较大的区域进行了进一步的观测。他们已将最初的名单扩大到大约1,400个来自同一时代的年轻星系。
插图：尼克·斯宾塞；来源：美国宇航局/WMAP科学团队；R. 埃利斯（加州理工学院）
来自这个不断增长的目录的数据已经暗示了一个仍然看不见的时间——一个充满无数小星系和被原始恒星照亮的婴儿宇宙，这些恒星是如此巨大，以至于它们在一个宇宙的瞬间就燃烧殆尽并爆炸。新一代仪器有望让那个时代清晰可见。其中包括智利的阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列 (ALMA) 射电望远镜，该望远镜已经开始进行此类观测；以及哈勃的继任者，红外詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST)，该望远镜计划于2018年末发射。
马萨诸塞州剑桥哈佛大学的宇宙学家艾维·勒布说，对于早期宇宙的天文学家来说，这是一个令人兴奋的时刻。“我们正在审视我们的起源，”他说。“第一个星系是银河系的组成部分，而了解它们的愿望是对我们根源的探寻。”
深层背景
在过去的几十年中，观测者们已经开发出描述星系如何形成的一般故事情节（见“黎明的曙光”）。例如，天文学家知道，原材料是来自大爆炸的氢和氦的热电离等离子体，然后随着宇宙的膨胀而迅速冷却。一旦它的温度下降到足够低的程度，大约在大爆炸后370,000年，质子和电子结合形成中性原子，并形成了一种吸收光线的薄雾，使宇宙陷入宇宙的“黑暗时代”。
天文学家还知道，这种宇宙薄雾在开始时几乎是完全均匀的——但是随着引力开始放大物质密度中的轻微波动，它立即开始聚集在一起。他们相当肯定，在数亿年后，最密集的生长团块开始形成第一批恒星，这些恒星通过热核聚变点燃，并使剩余的中性气体再次电离。气体面纱再次成为透明的等离子体，使宇宙的黑暗时代达到了一个壮观的终结（参见《自然》490, 24–27; 2012）。
但是从这一点开始，很少有事情是确定的。后续几代恒星和星系的形成是加热和冷却气体云、超新星爆炸、黑洞吸积以及足以将物质从小星系中喷射出来的猛烈恒星风的混乱局面——这个过程太混乱和复杂，如果没有广泛的观测，就无法理解。
此类观测是HUDF项目的主要目标，该项目旨在收集足够多的遥远星系图像，以辨别其大小、形状和颜色方面的模式。HUDF位于猎户座以南的天炉座中，从地面上看，其直径仅为满月的十分之一，是一个典型的黑暗天空区域，恰好相对缺乏前景恒星和星系。但是，正如天文学家所预料的那样，哈勃在2003年末和2004年初对该区域进行了11.3天的长时间曝光，结果表明，它实际上充满了遥远的星系，这些星系是数十亿年前的样子。
2009年8月和9月，该区域由哈勃的第三代广域相机 (WFC3) 进行了额外的两天曝光重新检查：这台仪器是由宇航员在去年5月安装的，在红外波长下非常灵敏——这正是最遥远星系发出的可见光和紫外光在宇宙膨胀发生红移后最终会到达的地方。
这些是伊林沃思、鲍文斯和奥伊施看到的图像。由于知道WFC3可以探测到比其前代相机暗约30倍的遥远星系，或者比人眼可见的任何物体暗约40亿倍，天文学家最初认为他们可能捕捉到了第一代星系之一正在诞生的过程。当他们通过检查它们在三个不同滤镜中的颜色来估计这些物体的距离和组成时——这些模糊的光斑太暗，哈勃无法获得光谱——该团队发现它们相对偏蓝，这正是人们期望在第一轮恒星形成狂潮中瞥见到的极年轻星系的样子。
但这个结论远非铁定。测试这个想法是加州理工学院帕萨迪纳分校的理查德·埃利斯领导的天文学家团队的主要动机。2012年，他们重新检查了HUDF中心的一小部分，这次使用了一个额外的滤色片，并且曝光时间总共约为23天。
这些较新的观测结果（埃利斯的团队在今年1月在加利福尼亚州长滩举行的美国天文学会会议上报告了这些观测结果）表明，这些星系实际上更红，因此包含比最初计算的更古老的恒星。哈勃已经识别出的最年轻的星系（成像为它们在大爆炸后5.6亿至7.8亿年出现的样子）包含有1亿至2亿年历史的恒星。因此，这些星系至少已经存在了那么长时间。
正如亚利桑那大学图森分校的布兰特·罗伯逊在1月份的会议上解释的那样，新的HUDF观测结果还揭示了再电离动荡时代的令人困惑的特征。这个时代是第一批星系变得更大更多的时候，也是第一批恒星发出的紫外线开始强大到足以电离包裹它们的厚厚氢气面纱的时候。其他观测表明，再电离大约在大爆炸后2.5亿年开始，并且在宇宙年龄大约10亿年时完成——这时星光可以自由地射入太空，而宇宙大部分是透明的，就像我们今天看到的那样。
但是，尽管哈勃在2012年（和2009年）的HUDF观测中看到的星系大概是数十亿年前那里最大最亮的星系，但它们根本不足以使宇宙再电离。根据埃利斯、罗伯逊及其同事的说法，这意味着一定存在大量看不见的小星系在做大部分工作——这也是伊林沃思及其团队得出的结论。
埃利斯说：“我们现在知道，在比哈勃探测器可以记录的更早的时间里，存在着整个小星系群”，这为诸如ALMA和JWST之类的新型望远镜带来了一系列令人兴奋的问题，包括这些天体是如何形成的以及它们是如何合并成后来出现的更大星系的。
另一组问题涉及第一代恒星，它们是从大爆炸中锻造的几乎纯净的氦和氢凝聚而成的。理论认为，它们的质量是太阳的100多倍——远大于今天形成的任何恒星。如果是这样，那么理论还认为，这些庞然大物是如此短暂，以至于它们没有一个会在哈勃可以看到的星系中幸存下来。它们的极端大小将导致这些恒星在仅仅大约200万年后，在壮观的超新星爆炸中自我毁灭。但是它们毁灭了吗？它们的死亡过程是否通过破坏新恒星正在形成的稠密星际气体云而延迟了下一代恒星的诞生？
德克萨斯大学奥斯汀分校的理论家沃克·布罗姆（Volker Bromm）表示，HUDF的数据已经表明，最后一个问题的答案是“否”。他没有参与2009年和2012年的HUDF研究。他说，由于在超深场中观测到的星系颜色表明它们至少已经形成了1亿年的恒星，这表明第一代恒星的消亡和第二代恒星的诞生之间几乎没有时间延迟，甚至可能存在重叠。但是，要弄清楚究竟发生了什么，还需要未来的望远镜来完成。
下一个前沿
与此同时，哈勃天文学家并没有闲着。美国宇航局正在采取一项策略，可以将哈勃天文台变成一台与JWST一样强大的望远镜，尽管在一些有限的视野中。
为了实现这一目标，天文学家正在扫描天空，选择六个视野，与HUDF不同的是，每个视野都包含一个前景星系的高质量星团。正如爱因斯坦最初预测的那样，这种星团就像宇宙变焦镜头一样，通过引力放大和增强位于其正后方遥远星系的图像。
哈勃的可见光和红外相机将轮流观察这些透镜，这应该会揭示比以往任何时候都要暗淡10到50倍的遥远星系——其中包括大量由再电离数据表明存在的小型星系。亚利桑那州图森市国家光学天文台的马克·迪金森（Mark Dickinson）表示，前四个“前沿视野”的数据收集工作计划在未来两年内完成。
在智利，ALMA将从今年夏天开始加入对遥远星系的搜寻（参见Nature495, 156–159; 2013）。与记录星光的哈勃望远镜不同，ALMA的微波测量将揭示这些遥远天体中产生恒星的气体和尘埃。英国爱丁堡大学的詹姆斯·邓洛普（James Dunlop）是2012年HUDF团队的成员，他表示，矛盾的是，这将使ALMA能够对如此遥远距离的恒星诞生进行最精确的测量。他解释说，新生的恒星大部分光线以紫外波长辐射，但大部分光线被气体和尘埃吸收，并以红外波长重新辐射，然后通过宇宙膨胀红移到ALMA的毫米波范围。
此外，新墨西哥州索科罗国家射电天文台的克里斯·卡里利（Chris Carilli）表示，ALMA的高空间分辨率将使该阵列能够将射电辐射分解为其组成波长，从而记录哈勃研究的许多遥远星系的实际红移——即真实的距离测量。然后，天文学家可以将这些距离测量转化为年龄，这将使他们更好地了解这些物体在宇宙历史中的位置。
卡里利说：“哈勃在寻找红移7到10的候选星系方面表现出色，但没有一个通过光谱确认，而且存在[虚假候选者]的可能性很大。”
卡里利和他的合作者在2月份报告说，ALMA仅使用其最终的66个天线中的20个就可以测量红移7的星系（距离地球3,955兆秒差距或129亿光年的物体）。《自然》杂志上另一组的研究报告提供了进一步的证据。卡里利说，ALMA将在今年年底“迅速跳跃到红移8”，如果该阵列获得一套新的接收器——这仍然是未来几年的可能性——它就可以研究和测量到红移11的星系的距离。这些物体将被视为宇宙诞生后仅4.25亿年的样子。他说，ALMA可能会成为首批星系的“首选红移机器”。
尽管如此，大多数天文学家都在热切地等待6.5米的JWST，其存在的理由是拍摄哈勃只能瞥见的微弱的原始天体——但这些天体是像银河系这样的现代星系的早期祖先（参见Nature467, 1028–1030; 2010）。埃利斯说，哈勃的观测提供了“第一批星系的第一批线索”，但“我们真的需要JWST将时间推回到大爆炸后2亿年到5亿年的更早时期”。
早在2009年，当美国宇航局天文学家兼宇航员约翰·格伦斯菲尔德（John Grunsfeld）从他帮助安装在哈勃上的红外相机中瞥见遥远星系的第一批图像时，他就想到了JWST。“我忍不住对哈勃的力量感到敬畏，”格伦斯菲尔德回忆道，“但HUDF的景象也让我非常满意，JWST会有很多东西可以看。”