纵观历史，世界各地的人们创造了关于第一批恒星如何出现在夜空中的故事。有些人说星星是从他们的母亲月亮那里诞生的，或者说它们是冒险进入上方广阔、空旷黑暗之地的动物的灵魂。
直到近代，人类才获得了了解宇宙中第一代恒星真实故事的能力。氢再电离阵列（HERA）射电望远镜是让人类能够阅读宇宙历史中这一章节的仪器之一。HERA，即氢再电离阵列的缩写，将研究第一代恒星和星系形成并彻底改变宇宙景象的时期。
戈登和贝蒂·摩尔基金会新近宣布的580万美元资助将使HERA团队能够将阵列中的天线数量从240个增加到350个，从而将望远镜的收集面积提高近50%，根据麻省理工学院（MIT）的一份声明，麻省理工学院是HERA合作项目中科学家的所在地。 2016年，国家科学基金会提供的950万美元资助帮助HERA团队将天线数量从19个增加到240个。[这些是地球上最大的望远镜]
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该团队还将对望远镜的仪器进行修改，这将使科学家们能够回溯到更久远的过去，回到在有足够的恒星形成星系之前，那时第一批非常巨大的天体开始蓬勃发展。麻省理工学院物理学教授杰奎琳·休伊特表示，那些早期天体可能包括一代质量是太阳数百倍的巨型恒星，或者可能是一群黑洞，她正在负责HERA的新资助。
天体离地球越远，来自该天体的光到达地球所需的时间就越长。有些天体非常遥远，以至于望远镜从这些天体捕获的光是数十亿年前发出的；这意味着科学家们正在直接观测远古宇宙。“我认为我们正在设计仪器来探测130亿年前发生的事情，这有点了不起，”休伊特说。
HERA的灵敏度水平——这是使该仪器能够收集来自如此遥远光源的微弱光迹的原因之一——将随着新的资助而变得更高。
在开始时
在第一批恒星内部，简单的氢原子被聚变成氦、碳、氧和氮等物质。这些宇宙熔炉开启了创造比形成这些恒星的物质更复杂的化学元素的传统。因此，在一段时间内，每一代后来的恒星都生长在比前一代更丰富的宇宙土壤中。
随后几代恒星产生的越来越重的元素将宇宙转变成一个可以孕育新的和奇异天体的地方，包括一颗名为地球的岩石行星，以及称之为家园的生命形式。
HERA将提供一些关于第一批天体的身份和特征的线索，但合作的主要重点是观察这些天体如何影响其环境。休伊特说，通过了解第一批恒星和星系对宇宙施加的改变，HERA将帮助科学家们弄清楚他们拼凑起来的关于宇宙中发光天体出现的更大图景——故事——是否正确。[普朗克卫星使早期宇宙更加清晰]
当灯光亮起时
构成HERA的射电天线每个宽14米（42英尺），或大约相当于一辆城市公交车的长度。 350个天线并排放置，阵列的总平方英尺超过615,000平方英尺[57,000平方米]，或超过10个足球场（包括端区）的面积。天线位于南非卡鲁天文保护区，将同步工作，有效地创建一个巨大的望远镜。最初的19个天线已开始采集数据，完整的350个天线阵列预计将于2019年9月投入运行，休伊特说。
HERA也被称为平方公里阵列的前身仪器，平方公里阵列计划成为有史以来最大的射电望远镜。
HERA中的“H”代表氢，该仪器的天线被调谐为探测氢原子发出的光波长。这被称为“21厘米线”（参考波长的大小——21厘米）。
氢是元素周期表上列出的第一个元素，是宇宙中最基本的原子。自然界中发现的大多数中性氢原子包含一个带正电的质子和一个带负电的电子，它们共同不带净电荷（因此是中性的）。（中性氢原子也可能包含中子，但这是一种不太常见的排列。）
由于其化学上的简单性，氢一直是宇宙中最普遍的原子类型。在大约大爆炸（据认为发生在约138亿年前）之后约4亿年，当宇宙冷却到足以形成原子时，宇宙中几乎没有其他种类的原子。
科学家们认为，当第一批恒星诞生时，这些发光天体及其形成的星系最终会喷射出X射线和紫外线辐射，将电子从它们的质子伴侣中剥离出来。这留下了所谓的电离氢。最终，宇宙中大部分氢原子被电离了。
这个时期，宇宙中大部分氢经历了巨大的物理转变，被称为再电离时期。“电离”指的是从原子中移除电子；“再”字是因为质子和中子甚至在宇宙历史的早期就处于未耦合状态。
慢烤
宇宙中氢的再电离并非像打开灯开关一样发生；它不是瞬间发生的，并且可能在整个宇宙中没有以相同的速率发生，麻省理工学院物理学助理教授安娜·弗雷贝尔说，她研究在宇宙早期形成的恒星和星系。
在没有任何关于再电离外观的详细观测的情况下，早期宇宙的许多模型“只是随便选择一个时间并说，‘宇宙现在再电离了！’——好像它是瞬间发生的，”弗雷贝尔在接受Space.com采访时说。实际上，所有这些电离辐射可能以更不均匀的方式冲击了宇宙，弗雷贝尔说。
“这就像你炸薯条时，你只是把它们放在油炸锅里，它很快就炸好了，而不是把它们放在烤箱里，它们会慢慢烤，你必须稍微搅拌一下锅，这样才能均匀，”弗雷贝尔说。再电离时期“可能更像是慢烤。”
“HERA将要做的是绘制慢烤是如何发生的地图，”弗雷贝尔说。“这就是令人兴奋的部分。这将为我们提供关于[再电离]在一个特定区域持续了多久以及这些区域有多大的细节和见解。”
事实上，休伊特说，HERA应该能够看到早期宇宙中某些星系引起的氢气电离。休伊特说，电离氢区域在HERA数据中看起来有点像气泡。
“它们是星系周围的球形区域，氢在那里被电离了，”休伊特说。“从21厘米线的角度来看，就好像氢不存在一样。因此，在我们的数据中，它看起来像是围绕类星体或星系的空气泡。……而且应该有一些大的气泡在那里，我们现在应该能够用这种收集面积看到它们。”
麻省理工学院的声明称，新天线的增加使这种能力成为可能，这将最终提高HERA的灵敏度。
詹姆斯·韦伯太空望远镜计划成为历史上最大的太空红外望远镜，它将能够看到来自那些非常早期的星系的一些光线；因此，休伊特说，在HERA看到气泡的地方，韦伯应该看到一个明亮的光源。休伊特补充说，这可以作为检查HERA结果的一种方法。
事物开始升温
休伊特说，随着天线的增加以及天线设计的修改，HERA团队成员也在尝试回溯到更久远的过去，甚至研究电离发生之前的neutral氢。来自那些早期来源的辐射会在完全释放电子之前加热那些氢原子。HERA科学家将寻找氢中的“热信号”，这可能揭示有关辐射天体的线索。
例如，该信号可以提供关于第一批恒星可能变得多么巨大的想法。（只有来自早期一代的较小、较冷的恒星仍然存在。大质量恒星的寿命相对较短。）恒星的大小可以揭示有关天体冷却速度的信息，这与它的成分有关，这将揭示当时的宇宙化学成分，休伊特说。一些假设还表明，最早形成的天体可能是黑洞，这将留下不同的热信号，她说。（黑洞会通过加速其周围的气体和物质盘来产生X射线；这些加速的粒子会产生光子。）
根据对非常早期的星系、非常明亮、遥远的星系或在早期宇宙中形成并至今仍然存在的老恒星的观测，已经完成了一些研究来推断它们的化学成分，休伊特说。最早一代的恒星形成于宇宙汤中，这种宇宙汤几乎没有今天存在的化学多样性。那些恒星内部的火热引擎，以及非常巨大的恒星死亡时的猛烈爆炸，将原子融合在一起，创造出更重的原子。对老恒星或遥远星系的研究表明，“某些元素在过去不太丰富，但我们还没有真正能够仔细观察这一点，”休伊特说。
HERA将无法直接分析那些早期天体的化学成分（这种工作是使用一种称为光谱学的技术完成的），但休伊特说，通过研究它们与周围氢的相互作用，有可能了解那些早期天体的一些特征。
“我们并不真正知道，但我们相信在这两种情况下都会产生X射线，这将加热氢[在电离之前]，”休伊特说。“因此，我们认为我们可以寻找该信号，并且对于一代黑洞或一代大质量恒星和星系来说，该信号的细节将有所不同。因此，我们认为我们可以区分关于最早的天体是如何形成的一些不同想法。”
这是HERA可能帮助回答的更大的问题——是什么导致了那些第一批天体的形成？为什么宇宙中的物质开始聚集在一起，而不是保持平滑？
某种东西在宇宙中创造了不完美之处，导致物质聚集在一起，并最终形成巨大的天体。（主要的假设是，由一种称为暴胀现象引起的时空涟漪使宇宙迅速膨胀。）如果没有这些不完美之处，宇宙很可能仍然是简单的粒子组成的平滑海洋，没有恒星、星系、行星和人类。
如果HERA取得成功，这个位于南非的射电望远镜阵列可能会揭示关于宇宙再电离的慢烤、第一批巨大天体的身份、宇宙成分列表的演变，甚至可能揭示关于第一批巨大天体形成机制的新信息。
所有这些信息将有助于充实关于第一批恒星如何出现在天空中的真实而复杂的故事。休伊特说，HERA将提供一种直接的方法来检查“我们拥有的整个图景是否正确”。
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