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透過使用世界上最大最好的望遠鏡凝視遠方，天文學家已經能夠瞥見爆炸的恆星、星系和其他發光的宇宙信標，它們在宇宙大爆炸後僅幾億年時就已出現。 它們非常遙遠，以至於它們的光現在才到達地球，即使它們是在130多億年前發出的。
天文學家之所以能夠識別早期宇宙中的那些物體，是因為它們明亮的光芒在經過漫長、橫跨宇宙的旅程後仍然可見。 但是，要發現形成最早宇宙結構的原始物質——即宇宙大爆炸後最初幾分鐘內嬰兒宇宙膨脹和冷卻時產生的氣體——一直是不可能的。 這種物質本身不發光，而且天文學家在所有觀察到的地方，發現的都不是來自宇宙大爆炸的原始輕元素氣體氫、氦和鋰，而是被更重元素汙染的物質，這些元素僅在恆星內部以及超新星等災變事件中形成。
現在，一組研究人員報告稱，他們發現了首批已知的原始氣體團，這是宇宙最初幾分鐘存在的兩個遺蹟。 該團隊透過觀察遙遠的類星體以及它們照亮的中間物質，發現了一對不含任何可探測重元素的氣體雲。 類星體是由貪婪的黑洞驅動的明亮天體，它們光的光譜質量揭示了光在到達地球的過程中所穿過的物質，這與投影儀的燈光將膠片的顏色投射到螢幕上的方式非常相似。 這項研究結果於11月10日線上發表在《科學》雜誌上。
“我們發現了兩個氣體雲，它們顯示出大量的氫，所以我們知道它們在那裡，”主要研究作者米歇爾·富馬加利說，他是加州大學聖克魯茲分校的研究生。 其中一個雲還顯示出氘的痕跡，氘也稱為重氫，它的原子核不僅包含一個質子（像普通氫一樣），還包含一箇中子。 氘應該是在宇宙大爆炸核合成中產生的，但很容易被破壞，因此它的存在表明環境原始。 存在的氘量與關於應該從宇宙大爆炸中產生的元素混合物的理論預測相符。“但我們沒有看到任何重元素（如碳、氧和鐵）的痕跡，”富馬加利說。“這就是告訴我們這是原始氣體的原因。”
新發現的氣體雲，正如富馬加利和他的同事們所看到的那樣，存在於宇宙大爆炸後約20億年，處於宇宙演化的一個時期，稱為紅移3。（紅移是一種宇宙距離的度量，對應於光波在穿越膨脹宇宙的旅程中被拉伸的程度。） 到那時，第一代恆星（最初僅由原始輕元素組成）已經形成，並將它們透過核聚變反應鍛造的更重元素分佈到星際空間中。
但這項新的研究表明，即使在恆星開始噴射重元素之後很久，宇宙的某些角落仍然保持原始狀態。“他們一直在尋找宇宙中這些特殊的角落，在這些角落裡，物質還沒有被汙染，”麻省理工學院天文學家羅布·西姆科說，他沒有參與這項新的研究。“在我們在這些環境中觀察到的其他所有地方，我們都發現了這些重元素。”
氣體雲的原始質量引出了一個問題：為什麼在宇宙大爆炸後20億年應該已經相對豐富的重元素未能到達氣體雲？ 西姆科說，有兩種可能性。“是沒有重元素，還是有一些重元素，但它們沒有混合到他們看到的氣體雲中？”他問道。 他補充說，從某種意義上說，來自宇宙黎明、未受重元素汙染的氣體如此長時間未被發現，這令人驚訝。“這些元素需要一段時間才能融合，而洩漏到周圍環境需要更長的時間，”西姆科說。“宇宙中一定還有其他像這樣的區域。”
富馬加利說，他的團隊將繼續尋找類星體照亮的原始氣體雲，以更多地瞭解它們存在的位置以及它們如何避免汙染。“我們幾乎剛剛開始，就立即發現了這兩個氣體雲，所以我們不知道這些雲有多常見，”他說。