縱觀歷史，世界各地的人們創造了關於第一批恆星如何出現在夜空中的故事。有些人說星星是從他們的母親月亮那裡誕生的，或者說它們是冒險進入上方廣闊、空曠黑暗之地的動物的靈魂。
直到近代，人類才獲得了了解宇宙中第一代恆星真實故事的能力。氫再電離陣列（HERA）射電望遠鏡是讓人類能夠閱讀宇宙歷史中這一章節的儀器之一。HERA，即氫再電離陣列的縮寫，將研究第一代恆星和星系形成並徹底改變宇宙景象的時期。
戈登和貝蒂·摩爾基金會新近宣佈的580萬美元資助將使HERA團隊能夠將陣列中的天線數量從240個增加到350個，從而將望遠鏡的收集面積提高近50%，根據麻省理工學院（MIT）的一份宣告，麻省理工學院是HERA合作專案中科學家的所在地。 2016年，國家科學基金會提供的950萬美元資助幫助HERA團隊將天線數量從19個增加到240個。[這些是地球上最大的望遠鏡]
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該團隊還將對望遠鏡的儀器進行修改，這將使科學家們能夠回溯到更久遠的過去，回到在有足夠的恆星形成星系之前，那時第一批非常巨大的天體開始蓬勃發展。麻省理工學院物理學教授傑奎琳·休伊特表示，那些早期天體可能包括一代質量是太陽數百倍的巨型恆星，或者可能是一群黑洞，她正在負責HERA的新資助。
天體離地球越遠，來自該天體的光到達地球所需的時間就越長。有些天體非常遙遠，以至於望遠鏡從這些天體捕獲的光是數十億年前發出的；這意味著科學家們正在直接觀測遠古宇宙。“我認為我們正在設計儀器來探測130億年前發生的事情，這有點了不起，”休伊特說。
HERA的靈敏度水平——這是使該儀器能夠收集來自如此遙遠光源的微弱光跡的原因之一——將隨著新的資助而變得更高。
在開始時
在第一批恆星內部，簡單的氫原子被聚變成氦、碳、氧和氮等物質。這些宇宙熔爐開啟了創造比形成這些恆星的物質更復雜的化學元素的傳統。因此，在一段時間內，每一代後來的恆星都生長在比前一代更豐富的宇宙土壤中。
隨後幾代恆星產生的越來越重的元素將宇宙轉變成一個可以孕育新的和奇異天體的地方，包括一顆名為地球的岩石行星，以及稱之為家園的生命形式。
HERA將提供一些關於第一批天體的身份和特徵的線索，但合作的主要重點是觀察這些天體如何影響其環境。休伊特說，通過了解第一批恆星和星系對宇宙施加的改變，HERA將幫助科學家們弄清楚他們拼湊起來的關於宇宙中發光天體出現的更大圖景——故事——是否正確。[普朗克衛星使早期宇宙更加清晰]
當燈光亮起時
構成HERA的射電天線每個寬14米（42英尺），或大約相當於一輛城市公交車的長度。 350個天線並排放置，陣列的總平方英尺超過615,000平方英尺[57,000平方米]，或超過10個足球場（包括端區）的面積。天線位於南非卡魯天文保護區，將同步工作，有效地建立一個巨大的望遠鏡。最初的19個天線已開始採集資料，完整的350個天線陣列預計將於2019年9月投入執行，休伊特說。
HERA也被稱為平方公里陣列的前身儀器，平方公里陣列計劃成為有史以來最大的射電望遠鏡。
HERA中的“H”代表氫，該儀器的天線被調諧為探測氫原子發出的光波長。這被稱為“21釐米線”（參考波長的大小——21釐米）。
氫是元素週期表上列出的第一個元素，是宇宙中最基本的原子。自然界中發現的大多數中性氫原子包含一個帶正電的質子和一個帶負電的電子，它們共同不帶淨電荷（因此是中性的）。（中性氫原子也可能包含中子，但這是一種不太常見的排列。）
由於其化學上的簡單性，氫一直是宇宙中最普遍的原子型別。在大約大爆炸（據認為發生在約138億年前）之後約4億年，當宇宙冷卻到足以形成原子時，宇宙中幾乎沒有其他種類的原子。
科學家們認為，當第一批恆星誕生時，這些發光天體及其形成的星系最終會噴射出X射線和紫外線輻射，將電子從它們的質子伴侶中剝離出來。這留下了所謂的電離氫。最終，宇宙中大部分氫原子被電離了。
這個時期，宇宙中大部分氫經歷了巨大的物理轉變，被稱為再電離時期。“電離”指的是從原子中移除電子；“再”字是因為質子和中子甚至在宇宙歷史的早期就處於未耦合狀態。
慢烤
宇宙中氫的再電離並非像開啟燈開關一樣發生；它不是瞬間發生的，並且可能在整個宇宙中沒有以相同的速率發生，麻省理工學院物理學助理教授安娜·弗雷貝爾說，她研究在宇宙早期形成的恆星和星系。
在沒有任何關於再電離外觀的詳細觀測的情況下，早期宇宙的許多模型“只是隨便選擇一個時間並說，‘宇宙現在再電離了！’——好像它是瞬間發生的，”弗雷貝爾在接受Space.com採訪時說。實際上，所有這些電離輻射可能以更不均勻的方式衝擊了宇宙，弗雷貝爾說。
“這就像你炸薯條時，你只是把它們放在油炸鍋裡，它很快就炸好了，而不是把它們放在烤箱裡，它們會慢慢烤，你必須稍微攪拌一下鍋，這樣才能均勻，”弗雷貝爾說。再電離時期“可能更像是慢烤。”
“HERA將要做的是繪製慢烤是如何發生的地圖，”弗雷貝爾說。“這就是令人興奮的部分。這將為我們提供關於[再電離]在一個特定區域持續了多久以及這些區域有多大的細節和見解。”
事實上，休伊特說，HERA應該能夠看到早期宇宙中某些星系引起的氫氣電離。休伊特說，電離氫區域在HERA資料中看起來有點像氣泡。
“它們是星系周圍的球形區域，氫在那裡被電離了，”休伊特說。“從21釐米線的角度來看，就好像氫不存在一樣。因此，在我們的資料中，它看起來像是圍繞類星體或星系的空氣泡。……而且應該有一些大的氣泡在那裡，我們現在應該能夠用這種收集面積看到它們。”
麻省理工學院的宣告稱，新天線的增加使這種能力成為可能，這將最終提高HERA的靈敏度。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡計劃成為歷史上最大的太空紅外望遠鏡，它將能夠看到來自那些非常早期的星系的一些光線；因此，休伊特說，在HERA看到氣泡的地方，韋伯應該看到一個明亮的光源。休伊特補充說，這可以作為檢查HERA結果的一種方法。
事物開始升溫
休伊特說，隨著天線的增加以及天線設計的修改，HERA團隊成員也在嘗試回溯到更久遠的過去，甚至研究電離發生之前的neutral氫。來自那些早期來源的輻射會在完全釋放電子之前加熱那些氫原子。HERA科學家將尋找氫中的“熱訊號”，這可能揭示有關輻射天體的線索。
例如，該訊號可以提供關於第一批恆星可能變得多麼巨大的想法。（只有來自早期一代的較小、較冷的恆星仍然存在。大質量恆星的壽命相對較短。）恆星的大小可以揭示有關天體冷卻速度的資訊，這與它的成分有關，這將揭示當時的宇宙化學成分，休伊特說。一些假設還表明，最早形成的天體可能是黑洞，這將留下不同的熱訊號，她說。（黑洞會透過加速其周圍的氣體和物質盤來產生X射線；這些加速的粒子會產生光子。）
根據對非常早期的星系、非常明亮、遙遠的星系或在早期宇宙中形成並至今仍然存在的老恆星的觀測，已經完成了一些研究來推斷它們的化學成分，休伊特說。最早一代的恆星形成於宇宙湯中，這種宇宙湯幾乎沒有今天存在的化學多樣性。那些恆星內部的火熱引擎，以及非常巨大的恆星死亡時的猛烈爆炸，將原子融合在一起，創造出更重的原子。對老恆星或遙遠星系的研究表明，“某些元素在過去不太豐富，但我們還沒有真正能夠仔細觀察這一點，”休伊特說。
HERA將無法直接分析那些早期天體的化學成分（這種工作是使用一種稱為光譜學的技術完成的），但休伊特說，透過研究它們與周圍氫的相互作用，有可能瞭解那些早期天體的一些特徵。
“我們並不真正知道，但我們相信在這兩種情況下都會產生X射線，這將加熱氫[在電離之前]，”休伊特說。“因此，我們認為我們可以尋找該訊號，並且對於一代黑洞或一代大質量恆星和星系來說，該訊號的細節將有所不同。因此，我們認為我們可以區分關於最早的天體是如何形成的一些不同想法。”
這是HERA可能幫助回答的更大的問題——是什麼導致了那些第一批天體的形成？為什麼宇宙中的物質開始聚集在一起，而不是保持平滑？
某種東西在宇宙中創造了不完美之處，導致物質聚集在一起，並最終形成巨大的天體。（主要的假設是，由一種稱為暴脹現象引起的時空漣漪使宇宙迅速膨脹。）如果沒有這些不完美之處，宇宙很可能仍然是簡單的粒子組成的平滑海洋，沒有恆星、星系、行星和人類。
如果HERA取得成功，這個位於南非的射電望遠鏡陣列可能會揭示關於宇宙再電離的慢烤、第一批巨大天體的身份、宇宙成分列表的演變，甚至可能揭示關於第一批巨大天體形成機制的新資訊。
所有這些資訊將有助於充實關於第一批恆星如何出現在天空中的真實而複雜的故事。休伊特說，HERA將提供一種直接的方法來檢查“我們擁有的整個圖景是否正確”。
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