在哈勃太空望远镜拍摄的遥远宇宙照片中，数千个明亮星系之间存在着空旷的黑暗区域——这些诱人的斑块可能充满了更多的星系，如果我们能够看到它们的话。现在，天文学家重新审视了这些空旷区域，并发现了来自大爆炸后仅 5 亿年形成的恒星的微弱光线。新的研究结果 (pdf) 表明，这种光线来自最早形成的一些星系，其数量可能是之前认为的 10 倍。
这种所谓的“河外背景光”可能起源于大爆炸后大约 2.5 亿年。宇宙诞生后不久，太空充满了炽热、稠密的电离气体雾。但在数十万年的时间里，气体膨胀并冷却，使得巨大的氢气和氦气云坍缩并形成第一批恒星。自从这些恒星首次点燃以来，它们的光——以及随后几代恒星的所有光——一直在填充宇宙，在太空最黑暗的深处创造出一种普遍的光芒。
尽管河外背景辐射已被证明难以最终探测到，但在哈勃照片中看到的光似乎是迄今为止最遥远的背景光。利用来自宇宙近红外深河外遗产巡天 (CANDELS) 和大型天文台起源深度巡天 (GOODS) 的数据，该团队能够分离出来自后期恒星和星系的光，从而隔离出来自第一批恒星的贡献。
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来自加州大学尔湾分校的研究生 Ketron Mitchell-Wynne 和他的同事们，在 2002 年至 2012 年拍摄的哈勃照片中，寻找看似黑暗和空旷像素的强度波动，以测量难以捉摸的第一道光。这些波动帮助他们从统计学上确定，他们看到的是与第一批恒星相关的微弱信号，而不仅仅是噪音。然后，他们减去了我们星系内恒星添加的任何光、附近星系添加的光，甚至是从宿主星系中撕裂出来并占据星系际空间的流浪恒星添加的光，直到只剩下来自早期宇宙的光。
图片来源：Ketron Mitchell-Wynne，加州大学尔湾分校
“分离出这种信号真是一项英勇的努力，”耶鲁大学的 Pascal Oesch 说，他没有参与这项研究。
该团队计算出，他们的测量结果仅有 0.8% 的可能性被非背景光污染。此外，产生背景光的古老恒星看起来与我们今天观察到的恒星截然不同。它们仅由氢和氦构成，质量是太阳的数百倍，因此比附近宇宙中的恒星燃烧得更亮，死亡得更快。“当第一批恒星和星系形成然后迅速燃尽时，可能发生过一次闪光，”哈佛-史密森天体物理中心的合著者 Matthew Ashby 说。“如果我们能够分解河外背景光，那么我们应该看到那次闪光的余晖。”
该团队基本上发现了这种余晖，但只能确定它发生在最初的 5 亿年内——这是天文学家已经知道的事情。他们希望更精确地确定时间，因为这些巨大的早期恒星极大地改变了宇宙的命运。它们的紫外线加热了周围的空间，在气体中刻蚀出气泡，射线的能量剥夺了所有氢原子的电子，将它们从原子转化为离子。最终，气泡生长并连接在一起，直到整个宇宙再次电离，与大爆炸后的状态相匹配。从那时起，宇宙一直保持电离状态。
尽管天文学家相当确信来自第一批星系的恒星产生了足够的光来使宇宙重新电离，但来自空间望远镜科学研究所的天文学家 Dan Coe（他没有参与这项研究）研究了再电离时期，以防星系不是主要因素。
“如果我们发现星系不足以完成再电离，那么我们将不得不有其他解释，这可能是另一个非常有趣的解释，”Coe 说。毕竟，20 年前，天文学家认为活动星系核——由超大质量黑洞快速吞噬物质而产生的明亮信标——产生足够的光来使宇宙重新电离。那个理论没有成功，天文学家转向了他们下一个最佳的猜测：星系。Coe 说，同样的情况可能会再次发生，而这一次，也许它实际上会是一些非常奇异的东西，比如暗物质粒子。也许当这些知之甚少的粒子碰撞时，它们会释放能量，而这些能量足以使宇宙重新电离。然而，Coe 谨慎地说，所有证据仍然指向星系。
当詹姆斯·韦伯太空望远镜于 2018 年发射时，将会有更多的线索出现。事实上，新探测到的河外背景光的强度表明，未来的轨道天文台应该能够发现一些目前潜伏在那些诱人的太空黑暗区域中的第一批星系。