是什么结束了早期宇宙的黑暗时代新的韦伯数据让我们更接近解开这个谜团

大爆炸后大约40万年，宇宙是一个非常黑暗的地方。宇宙爆炸诞生的光芒已经冷却，太空中充满了稠密的气体(主要是氢气)，没有光源。

慢慢地，经过数亿年，气体被重力吸引成团块，最终，团块长大到足以点燃。这些是第一批星星。

起初，它们的光并没有传播很远，因为大部分光被氢气雾吸收了。然而，随着越来越多的恒星形成，它们产生了足够的光，通过“重新电离”气体来烧掉雾气，创造出我们今天看到的点缀着明亮光点的透明宇宙。

但究竟是哪些恒星产生了结束黑暗时代并引发这个所谓的“再电离时代”的光芒呢?在《自然》杂志上发表的研究中，我们使用一个巨大的星系团作为放大镜来观察这一时期的微弱遗迹，并发现小型微弱矮星系中的恒星很可能是造成这种宇宙尺度转变的原因。

是什么结束了黑暗时代?

大多数天文学家已经同意星系是宇宙再电离的主要力量，但尚不清楚它们是如何做到的。我们知道星系中的恒星应该产生大量电离光子，但这些光子需要逃离自己星系内的尘埃和气体，以电离星系之间空间中的氢。

目前尚不清楚什么样的星系能够产生并发射足够的光子来完成这项工作。(事实上​​，有些人认为像大黑洞这样的奇异物体可能是造成这一现象的原因。)

星系理论的拥护者中有两个阵营。

第一种认为巨大的星系产生了电离光子。早期宇宙中这样的星系并不多，但每个星系都会产生大量的光。因此，如果光的某一部分成功逃逸，可能就足以使宇宙重新电离。

第二个阵营认为，我们最好忽略巨大的星系，而关注早期宇宙中大量的小得多的星系。其中每一个产生的电离光都会少得多，但凭借其数量的重量，它们可能会推动再电离时代。

潘多拉星团放大后发现的两个最遥远的星系。图片来源：NASA/ESA/CSA/T.Treu(UCLA)，CCBY

400万光年宽的放大镜

试图观察早期宇宙中的任何事物都是非常困难的。巨大的星系非常罕见，因此很难找到。较小的星系更常见，但它们非常微弱，这使得获得高质量数据变得困难(而且昂贵)。

我们想看看周围一些最微弱的星系，所以我们使用了一个巨大的星系群，称为潘多拉星团，作为放大镜。星团的巨大质量扭曲了空间和时间，放大了其后面物体发出的光。

作为UNCOVER计划的一部分，我们使用詹姆斯·韦伯太空望远镜观察潘多拉星团后面微弱星系的放大红外图像。

我们首先观察了许多不同的星系，然后选择了一些特别遥远(因此也是古老)的星系来进行更仔细的研究。(这种仔细检查的成本很高，因此我们只能更详细地观察八个星系。)

氢的明亮光芒

我们选择了一些亮度约为当时银河系亮度0.5%的光源，并检查它们是否有电离氢的明显光芒。这些星系非常微弱，只有借助潘多拉星团的放大效应才能看到。

我们的观测证实这些小星系确实存在于非常早期的宇宙中。更重要的是，我们证实它们产生的电离光大约是我们认为“正常”的四倍。根据我们对早期恒星形成方式的理解，这是我们预测的最高值。

由于这些星系产生了如此多的电离光，因此只有一小部分需要逃逸才能使宇宙重新电离。

此前，我们曾认为，如果这些较小的星系要成为再电离的主要贡献者，那么大约20%的电离光子将需要逃离这些较小的星系。我们的新数据表明，甚至5%就足够了——这大约是我们看到的从现代星系逃逸的电离光子的比例。

所以现在我们可以自信地说，这些较小的星系可能在再电离时代发挥了非常大的作用。然而，我们的研究仅基于八个星系，所有星系都靠近一条视线。为了确认我们的结果，我们需要观察天空的不同部分。

我们计划进行新的观测，以宇宙其他地方的其他大型星系团为目标，寻找更多放大的微弱星系进行测试。如果一切顺利的话，几年后我们就会得到一些答案。