在哈勃太空望遠鏡拍攝的遙遠宇宙照片中，數千個明亮星系之間存在著空曠的黑暗區域——這些誘人的斑塊可能充滿了更多的星系，如果我們能夠看到它們的話。現在，天文學家重新審視了這些空曠區域，並發現了來自大爆炸後僅 5 億年形成的恆星的微弱光線。新的研究結果 (pdf) 表明，這種光線來自最早形成的一些星系，其數量可能是之前認為的 10 倍。
這種所謂的“河外背景光”可能起源於大爆炸後大約 2.5 億年。宇宙誕生後不久，太空充滿了熾熱、稠密的電離氣體霧。但在數十萬年的時間裡，氣體膨脹並冷卻，使得巨大的氫氣和氦氣雲坍縮並形成第一批恆星。自從這些恆星首次點燃以來，它們的光——以及隨後幾代恆星的所有光——一直在填充宇宙，在太空最黑暗的深處創造出一種普遍的光芒。
儘管河外背景輻射已被證明難以最終探測到，但在哈勃照片中看到的光似乎是迄今為止最遙遠的背景光。利用來自宇宙近紅外深河外遺產巡天 (CANDELS) 和大型天文臺起源深度巡天 (GOODS) 的資料，該團隊能夠分離出來自後期恆星和星系的光，從而隔離出來自第一批恆星的貢獻。
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來自加州大學爾灣分校的研究生 Ketron Mitchell-Wynne 和他的同事們，在 2002 年至 2012 年拍攝的哈勃照片中，尋找看似黑暗和空曠畫素的強度波動，以測量難以捉摸的第一道光。這些波動幫助他們從統計學上確定，他們看到的是與第一批恆星相關的微弱訊號，而不僅僅是噪音。然後，他們減去了我們星系內恆星新增的任何光、附近星系新增的光，甚至是從宿主星系中撕裂出來並佔據星系際空間的流浪恆星新增的光，直到只剩下來自早期宇宙的光。
圖片來源：Ketron Mitchell-Wynne，加州大學爾灣分校
“分離出這種訊號真是一項英勇的努力，”耶魯大學的 Pascal Oesch 說，他沒有參與這項研究。
該團隊計算出，他們的測量結果僅有 0.8% 的可能性被非背景光汙染。此外，產生背景光的古老恆星看起來與我們今天觀察到的恆星截然不同。它們僅由氫和氦構成，質量是太陽的數百倍，因此比附近宇宙中的恆星燃燒得更亮，死亡得更快。“當第一批恆星和星系形成然後迅速燃盡時，可能發生過一次閃光，”哈佛-史密森天體物理中心的合著者 Matthew Ashby 說。“如果我們能夠分解河外背景光，那麼我們應該看到那次閃光的餘暉。”
該團隊基本上發現了這種餘暉，但只能確定它發生在最初的 5 億年內——這是天文學家已經知道的事情。他們希望更精確地確定時間，因為這些巨大的早期恆星極大地改變了宇宙的命運。它們的紫外線加熱了周圍的空間，在氣體中刻蝕出氣泡，射線的能量剝奪了所有氫原子的電子，將它們從原子轉化為離子。最終，氣泡生長並連線在一起，直到整個宇宙再次電離，與大爆炸後的狀態相匹配。從那時起，宇宙一直保持電離狀態。
儘管天文學家相當確信來自第一批星系的恆星產生了足夠的光來使宇宙重新電離，但來自空間望遠鏡科學研究所的天文學家 Dan Coe（他沒有參與這項研究）研究了再電離時期，以防星系不是主要因素。
“如果我們發現星系不足以完成再電離，那麼我們將不得不有其他解釋，這可能是另一個非常有趣的解釋，”Coe 說。畢竟，20 年前，天文學家認為活動星系核——由超大質量黑洞快速吞噬物質而產生的明亮信標——產生足夠的光來使宇宙重新電離。那個理論沒有成功，天文學家轉向了他們下一個最佳的猜測：星系。Coe 說，同樣的情況可能會再次發生，而這一次，也許它實際上會是一些非常奇異的東西，比如暗物質粒子。也許當這些知之甚少的粒子碰撞時，它們會釋放能量，而這些能量足以使宇宙重新電離。然而，Coe 謹慎地說，所有證據仍然指向星系。
當詹姆斯·韋伯太空望遠鏡於 2018 年發射時，將會有更多的線索出現。事實上，新探測到的河外背景光的強度表明，未來的軌道天文臺應該能夠發現一些目前潛伏在那些誘人的太空黑暗區域中的第一批星系。