年轻星系通过吹出气泡改变了早期宇宙

从日常视角看，太空似乎是空无一物的，但星系之间那大片虚无实际上充满了一种类似极薄气体的东西——少量的质子和电子，以及一些更奇特的元素。尽管这种宇宙物质微不足道，但它在宇宙的历史中经历了两次彻底的改造——研究人员刚刚首次具体了解了第二次转变是如何发生的。这项工作朝着弄清早期恒星何时赋予宇宙目前形态迈出了一步。

“这是我们目前尚不清楚的事情之一，”加州大学圣克鲁斯分校名誉教授加思·伊林沃思 (Garth Illingworth) 表示，但他并未参与此项研究。

第一次大变革发生在宇宙大爆炸数十万年后，当时宇宙的质子和电子随着物质冷却而配对形成氢原子。此时，宇宙大爆炸余辉中大多数颜色的光都可以自由移动，而不会撞上干扰粒子而遮挡视线，宇宙变得基本透明。但所有这些电子-质子对形成了无处不在的氢雾，阻止了一种特殊的紫外线色调突破。但在数亿年里，这并不重要，因为没有星星，黑暗就统治了宇宙。

第二次转变始于巨型恒星诞生之时，与我们的太阳相比，它们简直是怪物。在形成第一批星系后，它们开始结束“宇宙黑暗时代”，用光填补虚空，再次改变整个宇宙的物质。

随着这些星系发出的强烈光线深入黑暗，它撕裂了遇到的氢原子，留下了充满晶莹剔透的质子电子物质的区域，这些物质充斥着今天的宇宙。这种清除是什么时候开始的？星系以多快的速度打开了周围的空间？我们所知甚少，但周四在夏威夷举行的美国天文学会会议上，天文学家首次公布了三个星系的观测结果，它们在周围膨胀出透明空间气泡，并推回了氢雾。

参与这项新研究的亚利桑那州立大学天文学家桑吉塔·马洛特拉 (Sangeeta Malhotra) 表示：“这很令人兴奋，因为我们在气泡相对罕见的时期捕捉到了它们的存在。”

发现所谓“宇宙黎明”中暗淡闪烁的关键是深入天空（因为来自更遥远星系的光需要更长的时间才能到达我们，让我们能够看到它们过去的样子），寻找特定颜色的紫外线：莱曼阿尔法线。这种类型的光波无法穿过氢雾，因此任何位于早期豌豆汤中的恒星或星系都无法被看到。但这三个星系已经清除了足够大的气泡，让莱曼阿尔法光得以逃逸，开始了一段旅程，最终抵达现今亚利桑那州的基特峰国家天文台。哈勃太空望远镜和夏威夷凯克天文台的艰苦后续观测证实，天文学家已经发现了这些最早的宇宙灯塔。

“由于这些星系非常暗淡，因此我们花了很多时间进行深入观察，”马洛特拉说。“它们距离我们超过 131 亿光年。”

这三颗气泡被称为 EGS77，它们在宇宙大爆炸后仅 6.8 亿年就闪耀起来（如果将宇宙 138 亿年的历史压缩为一个日历年，它们应该在 1 月中旬就活跃起来了）。虽然仪器无法直接探测到这些气泡，但 EGS77 发出的任何莱曼阿尔法色光都能到达地球，这一事实证明它们一定存在过。

研究小组计算出，这三个星系中最大的一个已经清理出一个直径约 300 万光年的空间，形成了一个气泡，至关重要的是，这个气泡与较暗星系的气泡重叠。清除更多的雾气让它们的光线比它们本来可以发出的光线更明亮。“较大的星系正在形成较大的气泡，较小的星系正在利用这些气泡，”伊林沃思说。

以前也曾发现过更早的星系，但没有发现过像它们一样发出如此清晰的莱曼α颜色的星系，这可能表明那些较年轻的星系尚未吹出实质性的气泡。

EGS77 的邻居也会清除其所在区域的氢气，直到所有气泡合并，永久改变整个宇宙的氢气。马尔霍特拉将她的团队的工作比作观看露营者在远处雾气笼罩的山上生火。起初你只能看到微弱的光芒，但最终足够多的火会驱散雾气，整个山坡变得清晰起来。

“在这第一个十亿年的时间范围内做任何事情都是很困难的，”伊林沃思说。“他们为该领域以及我们对该领域的理解做出了重大贡献，理应受到高度赞扬。”

马洛特拉表示，接下来她将寻找更近一些（因此也更近一些）的星系。此时宇宙氢雾应该更接近消散，尽管在某些地方可能仍然更浓。通过观察这些星系发出的莱曼-α光的穿透效果，天文学家将测量第一批恒星改变宇宙的效率。即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的观测结果将极大地支持这一努力。

伊林沃思说：“詹姆斯·韦伯太空望远镜对于揭示宇宙诞生后的最初十亿年里发生的事情具有真正重要的意义。”