在2009年9月初的一個不眠之夜，加思·伊林沃思和他的團隊獨自擁有了早期的宇宙。應美國宇航局的要求，伊林沃思、雷查德·鮑文斯和帕斯卡·奧伊施在過去的一週裡一直盯著他們在加州大學聖克魯茲分校的電腦螢幕，掃描數百張由哈勃太空望遠鏡上新安裝的紅外相機在多日曝光中記錄下來的模糊星系的黑白畫像。美國宇航局只是希望這三位天文學家預覽一下這些影像，並確保相機工作正常，然後該機構再更廣泛地釋出這些資料。
但伊林沃思、鮑文斯和奧伊施希望他們能發現更多——至少其中一些光斑將被證明是宇宙中最早形成的星系，距離宇宙大爆炸不到10億年。即使對這些天體的一瞥，也能為宇宙學中的一些最大問題提供新的見解，從第一批恆星的本質到星系形成的動盪開端。
在那一週，天文學家開始關注二十幾個微小的候選影像——每一個都如此暗淡和粗糙，以至於它們很容易被認為是相機數字感測器中的噪聲。但隨著他們的分析不斷深入，這些光斑顯然具有正確的顏色，只出現在相機最紅的濾鏡中——這正是新生星系在非常遙遠的距離和非常高的紅移下所期望看到的。伊林沃思說，當三位同事開始將每個候選者的曝光數字地疊加在一起時，“突然它們就出現了”——模糊但無可否認的星系影像。“九月的那一週是我職業生涯中最激動人心的時刻之一！”
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞工作 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
到那一週結束時，他和鮑文斯以及奧伊施已經在arXiv預印本伺服器上釋出了兩篇草稿論文，詳細介紹了他們首次收集的20多個來自星系形成時代的星系，大約在130億年前，當時宇宙只有6億到8億年的歷史。從那時起，其他研究人員對同一小片天空（稱為哈勃超深場 (HUDF)）和其他四個較大的區域進行了進一步的觀測。他們已將最初的名單擴大到大約1,400個來自同一時代的年輕星系。
插圖：尼克·斯賓塞；來源：美國宇航局/WMAP科學團隊；R. 埃利斯（加州理工學院）
來自這個不斷增長的目錄的資料已經暗示了一個仍然看不見的時間——一個充滿無數小星系和被原始恆星照亮的嬰兒宇宙，這些恆星是如此巨大，以至於它們在一個宇宙的瞬間就燃燒殆盡並爆炸。新一代儀器有望讓那個時代清晰可見。其中包括智利的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列 (ALMA) 射電望遠鏡，該望遠鏡已經開始進行此類觀測；以及哈勃的繼任者，紅外詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST)，該望遠鏡計劃於2018年末發射。
馬薩諸塞州劍橋哈佛大學的宇宙學家艾維·勒布說，對於早期宇宙的天文學家來說，這是一個令人興奮的時刻。“我們正在審視我們的起源，”他說。“第一個星系是銀河系的組成部分，而瞭解它們的願望是對我們根源的探尋。”
深層背景
在過去的幾十年中，觀測者們已經開發出描述星系如何形成的一般故事情節（見“黎明的曙光”）。例如，天文學家知道，原材料是來自大爆炸的氫和氦的熱電離等離子體，然後隨著宇宙的膨脹而迅速冷卻。一旦它的溫度下降到足夠低的程度，大約在大爆炸後370,000年，質子和電子結合形成中性原子，並形成了一種吸收光線的薄霧，使宇宙陷入宇宙的“黑暗時代”。
天文學家還知道，這種宇宙薄霧在開始時幾乎是完全均勻的——但是隨著引力開始放大物質密度中的輕微波動，它立即開始聚集在一起。他們相當肯定，在數億年後，最密集的生長團塊開始形成第一批恆星，這些恆星透過熱核聚變點燃，並使剩餘的中性氣體再次電離。氣體面紗再次成為透明的等離子體，使宇宙的黑暗時代達到了一個壯觀的終結（參見《自然》490, 24–27; 2012）。
但是從這一點開始，很少有事情是確定的。後續幾代恆星和星系的形成是加熱和冷卻氣體雲、超新星爆炸、黑洞吸積以及足以將物質從小星系中噴射出來的猛烈恆星風的混亂局面——這個過程太混亂和複雜，如果沒有廣泛的觀測，就無法理解。
此類觀測是HUDF專案的主要目標，該專案旨在收集足夠多的遙遠星系影像，以辨別其大小、形狀和顏色方面的模式。HUDF位於獵戶座以南的天爐座中，從地面上看，其直徑僅為滿月的十分之一，是一個典型的黑暗天空區域，恰好相對缺乏前景恆星和星系。但是，正如天文學家所預料的那樣，哈勃在2003年末和2004年初對該區域進行了11.3天的長時間曝光，結果表明，它實際上充滿了遙遠的星系，這些星系是數十億年前的樣子。
2009年8月和9月，該區域由哈勃的第三代廣域相機 (WFC3) 進行了額外的兩天曝光重新檢查：這臺儀器是由宇航員在去年5月安裝的，在紅外波長下非常靈敏——這正是最遙遠星系發出的可見光和紫外光在宇宙膨脹發生紅移後最終會到達的地方。
這些是伊林沃思、鮑文斯和奧伊施看到的影像。由於知道WFC3可以探測到比其前代相機暗約30倍的遙遠星系，或者比人眼可見的任何物體暗約40億倍，天文學家最初認為他們可能捕捉到了第一代星系之一正在誕生的過程。當他們透過檢查它們在三個不同濾鏡中的顏色來估計這些物體的距離和組成時——這些模糊的光斑太暗，哈勃無法獲得光譜——該團隊發現它們相對偏藍，這正是人們期望在第一輪恆星形成狂潮中瞥見到的極年輕星系的樣子。
但這個結論遠非鐵定。測試這個想法是加州理工學院帕薩迪納分校的理查德·埃利斯領導的天文學家團隊的主要動機。2012年，他們重新檢查了HUDF中心的一小部分，這次使用了一個額外的濾色片，並且曝光時間總共約為23天。
這些較新的觀測結果（埃利斯的團隊在今年1月在加利福尼亞州長灘舉行的美國天文學會會議上報告了這些觀測結果）表明，這些星系實際上更紅，因此包含比最初計算的更古老的恆星。哈勃已經識別出的最年輕的星系（成像為它們在大爆炸後5.6億至7.8億年出現的樣子）包含有1億至2億年曆史的恆星。因此，這些星系至少已經存在了那麼長時間。
正如亞利桑那大學圖森分校的布蘭特·羅伯遜在1月份的會議上解釋的那樣，新的HUDF觀測結果還揭示了再電離動盪時代的令人困惑的特徵。這個時代是第一批星系變得更大更多的時候，也是第一批恆星發出的紫外線開始強大到足以電離包裹它們的厚厚氫氣面紗的時候。其他觀測表明，再電離大約在大爆炸後2.5億年開始，並且在宇宙年齡大約10億年時完成——這時星光可以自由地射入太空，而宇宙大部分是透明的，就像我們今天看到的那樣。
但是，儘管哈勃在2012年（和2009年）的HUDF觀測中看到的星系大概是數十億年前那裡最大最亮的星系，但它們根本不足以使宇宙再電離。根據埃利斯、羅伯遜及其同事的說法，這意味著一定存在大量看不見的小星系在做大部分工作——這也是伊林沃思及其團隊得出的結論。
埃利斯說：“我們現在知道，在比哈勃探測器可以記錄的更早的時間裡，存在著整個小星系群”，這為諸如ALMA和JWST之類的新型望遠鏡帶來了一系列令人興奮的問題，包括這些天體是如何形成的以及它們是如何合併成後來出現的更大星系的。
另一組問題涉及第一代恆星，它們是從大爆炸中鍛造的幾乎純淨的氦和氫凝聚而成的。理論認為，它們的質量是太陽的100多倍——遠大於今天形成的任何恆星。如果是這樣，那麼理論還認為，這些龐然大物是如此短暫，以至於它們沒有一個會在哈勃可以看到的星系中倖存下來。它們的極端大小將導致這些恆星在僅僅大約200萬年後，在壯觀的超新星爆炸中自我毀滅。但是它們毀滅了嗎？它們的死亡過程是否透過破壞新恆星正在形成的稠密星際氣體雲而延遲了下一代恆星的誕生？
德克薩斯大學奧斯汀分校的理論家沃克·布羅姆（Volker Bromm）表示，HUDF的資料已經表明，最後一個問題的答案是“否”。他沒有參與2009年和2012年的HUDF研究。他說，由於在超深場中觀測到的星系顏色表明它們至少已經形成了1億年的恆星，這表明第一代恆星的消亡和第二代恆星的誕生之間幾乎沒有時間延遲，甚至可能存在重疊。但是，要弄清楚究竟發生了什麼，還需要未來的望遠鏡來完成。
下一個前沿
與此同時，哈勃天文學家並沒有閒著。美國宇航局正在採取一項策略，可以將哈勃天文臺變成一臺與JWST一樣強大的望遠鏡，儘管在一些有限的視野中。
為了實現這一目標，天文學家正在掃描天空，選擇六個視野，與HUDF不同的是，每個視野都包含一個前景星系的高質量星團。正如愛因斯坦最初預測的那樣，這種星團就像宇宙變焦鏡頭一樣，透過引力放大和增強位於其正後方遙遠星系的影像。
哈勃的可見光和紅外相機將輪流觀察這些透鏡，這應該會揭示比以往任何時候都要暗淡10到50倍的遙遠星系——其中包括大量由再電離資料表明存在的小型星系。亞利桑那州圖森市國家光學天文臺的馬克·迪金森（Mark Dickinson）表示，前四個“前沿視野”的資料收集工作計劃在未來兩年內完成。
在智利，ALMA將從今年夏天開始加入對遙遠星系的搜尋（參見Nature495, 156–159; 2013）。與記錄星光的哈勃望遠鏡不同，ALMA的微波測量將揭示這些遙遠天體中產生恆星的氣體和塵埃。英國愛丁堡大學的詹姆斯·鄧洛普（James Dunlop）是2012年HUDF團隊的成員，他表示，矛盾的是，這將使ALMA能夠對如此遙遠距離的恆星誕生進行最精確的測量。他解釋說，新生的恆星大部分光線以紫外波長輻射，但大部分光線被氣體和塵埃吸收，並以紅外波長重新輻射，然後透過宇宙膨脹紅移到ALMA的毫米波範圍。
此外，新墨西哥州索科羅國家射電天文臺的克里斯·卡里利（Chris Carilli）表示，ALMA的高空間解析度將使該陣列能夠將射電輻射分解為其組成波長，從而記錄哈勃研究的許多遙遠星系的實際紅移——即真實的距離測量。然後，天文學家可以將這些距離測量轉化為年齡，這將使他們更好地瞭解這些物體在宇宙歷史中的位置。
卡里利說：“哈勃在尋找紅移7到10的候選星系方面表現出色，但沒有一個透過光譜確認，而且存在[虛假候選者]的可能性很大。”
卡里利和他的合作者在2月份報告說，ALMA僅使用其最終的66個天線中的20個就可以測量紅移7的星系（距離地球3,955兆秒差距或129億光年的物體）。《自然》雜誌上另一組的研究報告提供了進一步的證據。卡里利說，ALMA將在今年年底“迅速跳躍到紅移8”，如果該陣列獲得一套新的接收器——這仍然是未來幾年的可能性——它就可以研究和測量到紅移11的星系的距離。這些物體將被視為宇宙誕生後僅4.25億年的樣子。他說，ALMA可能會成為首批星系的“首選紅移機器”。
儘管如此，大多數天文學家都在熱切地等待6.5米的JWST，其存在的理由是拍攝哈勃只能瞥見的微弱的原始天體——但這些天體是像銀河系這樣的現代星系的早期祖先（參見Nature467, 1028–1030; 2010）。埃利斯說，哈勃的觀測提供了“第一批星系的第一批線索”，但“我們真的需要JWST將時間推回到大爆炸後2億年到5億年的更早時期”。
早在2009年，當美國宇航局天文學家兼宇航員約翰·格倫斯菲爾德（John Grunsfeld）從他幫助安裝在哈勃上的紅外相機中瞥見遙遠星系的第一批影像時，他就想到了JWST。“我忍不住對哈勃的力量感到敬畏，”格倫斯菲爾德回憶道，“但HUDF的景象也讓我非常滿意，JWST會有很多東西可以看。”