望远镜是时光机，天文学家们正利用它们来寻找宇宙中形成的第一批恒星。这些早期世代的恒星，被称为第三星族星，对塑造我们今天所知的宇宙至关重要。
在宇宙的早期，还没有恒星照亮宇宙。当时被称为“黑暗时代”，在大爆炸后几万年，只有最轻的元素——主要是氢和氦——已经形成，弥漫在新生宇宙中，形成一片黑暗、寒冷的光晕。
在接下来的几亿年里，第一批恒星从氢和氦的光晕中凝聚而成，点亮了宇宙，并汇聚成第一批星系。这个时期（从第一批恒星诞生到大爆炸后约十亿年）被称为再电离时期。
“从一个只包含氢和氦的黑暗宇宙过渡到今天拥有星系、恒星、行星和金属的宇宙，这是一个非常根本的转变，”加州大学洛杉矶分校的天文学家William Lake说。他补充道，由于第三星族星是第一批恒星，它们驱动了宇宙的这些基础性变化，“它们创造了我们银河系中恒星形成的条件和元素丰度。”
这些非常早期的第三星族星与我们今天的太阳等恒星截然不同，因为在数十亿年前它们诞生时的宇宙条件完全不同。今天的恒星通常含有各种重元素，包括碳、氮、氧和铁——但这些元素在第三星族星诞生时并不存在。更重的元素尚未在恒星核心内部炽热的宇宙熔炉中产生。
没有这些额外的元素在其大气层中，第三星族星缺乏强大的恒星风，并且它们平均比今天的恒星“更大质量，”Lake说。“这也意味着它们炽热明亮，寿命短。所以，我们今天身边看不到任何它们——它们早已消逝。”一旦第三星族星消逝，并在过程中产生了一些金属，它们就会将这些元素播撒到宇宙中，供后代使用。
但我们如何研究那些早已消逝数十亿年的恒星祖先呢？由于光速有限，来自遥远宇宙的光需要时间才能到达我们。这有效地使望远镜成为一种“回溯机器”，遥远的天体在我们看来就像它们最初漫长旅程开始时的样子。对于距离我们四光年的恒星（如我们最近的邻居比邻星），我们看到的是它四年前的样子。对于距离我们120亿光年的恒星，我们将看到它120亿年前的样子，大约在再电离时期——尽管这是一项非常困难的观测。事实上，如此困难，以至于我们还没有真正看到任何第三星族星。
之所以如此困难，部分原因是遥远宇宙中的一切都非常红。当时间和空间的织物本身伸展时，它会拉伸到达我们的光波，将其推向电磁光谱的红外甚至微波部分。这意味着我们需要一台专门的望远镜来观测红外线，以便能够发现这些极早期恒星和星系。而天文学家们刚刚获得了有史以来最强大、最适合这项任务的望远镜：NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）。
JWST无法回溯到宇宙的最早期，但它可以回溯得相当远——回到宇宙诞生后仅十亿年，即再电离时期。尽管第三星族星在那时仍然活跃，但它们开始被下一代被称为第二星族的“更普通”的恒星所掩盖。此外，观测如此遥远的恒星仍然存在一个挑战：任何离我们如此之远的天体，从我们的角度来看都非常微小，并且极其暗淡。
因此，我们不太可能看到单独的第三星族星，但天文学家们仍然有一些想法，说明他们将如何找到这些难以捉摸的早期恒星的证据。利用JWST，他们希望依靠宇宙本身的额外放大——引力透镜，即光线在宇宙中的大质量天体周围弯曲——但这种方法需要一些运气。与我们可以指向任何方向的望远镜不同，需要多个我们无法控制的巨大天体在天文距离上偶然排列，才能使遥远的恒星被引力透镜效应放大；也就是说，我们不能按需制造引力透镜，它必须由宇宙提供。
在宇宙历史中晚期，约十亿年后，在离家较近的地方也有一些机会可以发现这些恒星，但由于周围有许多其他现代恒星，这就像大海捞针。尽管如此，天文学家们已经有一些线索可以寻找。“一些模拟发现，流入大星系外围的原始气体可能会刺激第三星族恒星的形成，”加州大学洛杉矶分校的天文学家Sahil Hegde解释道。另一个寻找的地方是矮星系，它们停止形成恒星已经有一段时间了，因此在寻找第三星族星的“针”时，可能需要筛选的“干草”会少一些。“原则上，你也可以寻找由第三星族星形成的双黑洞产生的引力波背景，但这需要下一代引力波天文台，例如爱因斯坦望远镜，”Hegde补充道。
到目前为止，天文学家已经有一个用JWST发现的可能第三星族星的候选者，称为Earendel。这颗恒星诞生于大爆炸后不到十亿年，并且得益于那些有用的引力透镜才得以被观测到。然而，在天文学家确信他们真正发现了第一代恒星之前，还有很多工作要做；“Earendel是第三星族星的证据尚未确凿，”Hegde说。尽管如此，JWST肯定会继续搜索，也许在未来几年，我们将最终清晰地看到一颗恒星祖先，就像它们照亮了早期宇宙一样，阐明我们对再电离的理解。
