当第一批恒星和星系形成时，它们不仅仅是照亮了宇宙。这些明亮的结构也从根本上改变了宇宙的化学成分。
在此期间，构成今天星系间大部分物质的氢气变成了带电状态。正如它被称为“再电离时期”，是“宇宙最后一次重大变化之一”，加州大学圣克鲁斯分校计算天体物理学研究小组负责人 Brant Robertson 说。这是我们所知的宇宙的黎明。
但科学家们一直未能详细观察到再电离时期发生了什么——直到现在。美国国家航空航天局新启用的 詹姆斯·韦伯太空望远镜 提供了能够穿透这一形成时期面纱的眼睛。像 Robertson 这样的天体物理学家已经在仔细研究韦伯望远镜的数据，寻找关于这个电宇宙黎明以及它能告诉我们什么关于塑造当今宇宙的动力学的基本问题的答案。
宇宙大爆炸后发生了什么？
再电离时期并不是宇宙第一次充满电。就在 宇宙大爆炸之后，宇宙又暗又热；没有恒星、星系和行星。取而代之的是，电子和质子自由游荡，因为那时 太热了，它们无法结合。
但是，随着宇宙冷却下来，质子开始捕获电子形成第一批原子——特别是氢原子——这被称为“复合期”，哥本哈根大学和丹麦技术大学国家空间研究所的联合研究机构“宇宙黎明中心”的博士后研究员 Anne Hutter 解释道。这个过程使带电物质中和。
当时，宇宙中的所有物质都相对均匀地分布着，结构非常少。但存在微小的密度波动，经过数百万年，这些变化将早期原子聚集在一起，最终形成了恒星。早期恒星的引力吸引了更多的气体、粒子和其他成分，汇聚成更多的恒星，然后是星系。
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一旦星系开始发光，天体物理学家所说的宇宙黑暗时代就结束了。Robertson 说，这些恒星体尤其明亮：它们比我们的太阳质量更大，燃烧得更热，在紫外光谱中发光。
Robertson 说：“紫外线，如果能量足够高，实际上可以电离氢。” 只需要一个特别有能量的光粒子，称为光子，就能剥离氢原子上的电子，使其带正电。
随着星系开始汇聚，它们首先会电离周围的区域，在宇宙中留下带电氢气的气泡。随着发光星团的增长，形成了更多的恒星，使它们更加明亮并充满光子。此外，新的星系也开始形成。随着它们变得明亮，电离的气泡开始重叠。Robertson 解释说，这使得一个星系的光子“可以传播更远的距离，因为它在穿过这个网络时没有撞上氢原子。”
这时，宇宙中其余的星系际介质——即使在远离星系的区域——也迅速被电离。这时，再电离时期结束了，我们所知的宇宙开始了。
Robertson 说：“这是整个宇宙的性质最后一次发生改变。这也很可能是星系第一次对其局部区域之外产生影响。”
詹姆斯·韦伯太空望远镜寻找电离线索
随着星系间的氢全部带电，宇宙进入了新的形成阶段。这种电离对星系的形成产生了连锁反应：宇宙黎明之后形成的任何星团结构都可能受到了影响。
Hutter 解释说：“如果你电离了气体，也会加热它。” 记住，高温使得物质难以汇聚形成新的恒星和行星——甚至可以摧毁已有的气体。因此，在电离区域形成的小型星系可能难以获得足够的غاز来形成更多恒星。“这真的会影响它们形成多少恒星，”Hutter 说。“它会影响它们的整个历史。”
尽管科学家们对再电离的故事有大致的了解，但仍有一些重大问题悬而未决。例如，虽然他们大致知道再电离时期在大约宇宙大爆炸后十亿年结束，但他们不确定再电离——以及因此第一批星系形成——何时开始。
这就是韦伯望远镜的作用所在。新的太空望远镜旨在能够探测人眼看不见的宇宙中最古老的部分，并收集有关 电离星系际介质的最初星光 的数据。天文学家主要通过天体发出的辐射来探测天体。离我们越远的天体，往往出现在红外波段，因为距离会扭曲它们的波长使其变长。随着 宇宙膨胀，光需要数十亿年才能到达韦伯望远镜的探测器。
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简而言之，这就是科学家们如何利用韦伯望远镜观察第一个电离宇宙的星系。虽然像 哈勃太空望远镜 这样的旧工具可以发现一些早期的星系，但新的太空观测台可以收集更精细的细节，将这些星团置于时间轴上。
Robertson 说：“现在，我们可以非常精确地计算出，在大爆炸后 9 亿年、8 亿年、7 亿年、6 亿年，一直回溯到大爆炸后 3 亿年，有多少星系存在。” 利用这些信息，天体物理学家可以计算出每个时期的电离光子数量，以及这些粒子可能如何影响它们周围的环境。
描绘宇宙黎明的图景不仅仅是为了理解宇宙的大尺度结构：它也解释了构成我们的元素，如碳和氧，是如何在第一个恒星中形成的。“[问题] 实际上是，” Hutter 说，“我们从哪里来？”
更正（2022年9月21日）： 早期宇宙的密度波动发生在数百万年，而不是之前写的数十亿年。这是编辑错误。
