从日常的角度来看，太空似乎是空的，但星系之间那些广阔的虚空实际上充满了类似极其稀薄的气体的东西——零星分布的质子和电子，以及一些更奇异的元素。尽管这种宇宙物质非常微不足道，但在宇宙的历史中已经经历了两次彻底的改造——研究人员刚刚首次具体地看到了第二次转变是如何发生的。这项工作是弄清早期恒星何时使宇宙呈现出其当前形态的一步。
“这是我们目前不知道的事情之一，”加州大学圣克鲁兹分校的名誉教授加斯·伊林沃思（Garth Illingworth）说，他没有参与这项研究。
第一次改造发生在宇宙大爆炸后数十万年，当时宇宙的质子和电子在冷却过程中结合成氢原子。此时，大爆炸余晖中的大多数颜色的光都可以自由传播，而不会撞击到会使其模糊的干扰粒子，宇宙也因此变得大部分透明。但所有这些电子-质子对形成了无处不在的氢雾，阻挡了一种特定的紫外线色调穿透。然而，数亿年来，这并不重要，因为没有恒星，黑暗笼罩一切。
第二次转变始于巨大的恒星开始闪耀，与我们渺小的太阳相比，它们简直是庞然大物。在形成第一个星系后，它们开始结束“宇宙黑暗时代”，用光充满虚空，并再次彻底改变了宇宙的全部物质。
随着这些星系剧烈的高能光线深入黑暗，它们撕裂了遇到的氢原子，留下了充满如今充斥宇宙的清澈透明的质子-电子物质的区域。这种净化是从何时开始的？星系打开其周围空间的扩张速度有多快？我们了解的信息不足以回答这些问题，但在周四于夏威夷举行的美国天文学会会议上，天文学家展示了对三个星系在其周围形成清晰空间气泡并驱散氢雾的首次观测。
“这令人兴奋，因为我们正在[在那个气泡相对稀少的时期]抓获它们，”亚利桑那州立大学的天文学家桑吉塔·马尔霍特拉（Sangeeta Malhotra）说，她参与了这项新研究。
要探测这个所谓的“宇宙黎明”的微弱闪光，关键在于深入仰望天空（因为来自更遥远星系的光线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模样），寻找一种特定的紫外线颜色：莱曼阿尔法线。这种类型的光波无法穿透氢雾，因此位于早期“浑汤”中的任何恒星或星系都保持不可见。但这三个星系尤其已经清除了足够大的气泡，使得莱曼阿尔法光能够逃逸，踏上了旅程，最终在今天的亚利桑那州基特峰国家天文台结束。哈勃空间望远镜和夏威夷的凯克天文台进行的细致的后续观测证实，天文学家们已经找到了这些最早的宇宙信标。
“这需要数小时的深度观测，因为这些星系非常暗淡，”马尔霍特拉说。“它们距离我们超过 131 亿光年。”
这个名为 EGS77 的三星系在宇宙大爆炸后仅 6.8 亿年就已开始闪耀（如果将宇宙 138 亿年的历史压缩成日历年，它们会在 1 月中旬就活跃起来）。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颜色的光能够到达地球，这一事实就证明了它们必然存在。
该团队计算出，这三个星系中最大的一个已经清除了约 300 万光年直径的空间，形成了一个气泡，这个气泡至关重要的是与较暗淡星系的气泡重叠。集体清除更多的迷雾，使得它们的光能够比单独情况下更明亮地穿透。“较大的星系制造了大型气泡，较小的星系则加以利用，”伊林沃思说。
此前也曾发现过更早期的星系，但没有像这样在莱曼阿尔法颜色中如此清晰地发光——这可能表明那些更年轻的星系尚未形成大的气泡。
EGS77 的邻居们随后也会清除它们各自区域的氢气，直到所有气泡合并，永久地改变了整个宇宙的氢气。马尔霍特拉将她团队的工作比作观看营火在遥远的、被雾笼罩的山丘上燃烧。起初你只能看到微弱的光芒，但最终足够多的火堆驱散了迷雾，整座山丘都变得清晰起来。
“在这个宇宙最初的十亿年时间尺度上开展任何工作都非常困难，”伊林沃思说。“他们为这个领域的贡献以及我们对这一领域的理解做出了重大贡献，值得高度赞扬。”
马尔霍特拉说，接下来她正在寻找稍微近一些（因此也稍微新一些）的星系。这时宇宙的氢雾应该接近消散，尽管在某些地方可能仍然比较浓厚。通过观察这些星系的莱曼阿尔法光能够穿透的程度，天文学家将能够衡量第一批恒星使宇宙发生转化的效率。即将发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的观测将极大地支持这项工作。
“JWST 将是真正发挥作用的关键，以揭示[宇宙]最初十亿年中正在发生的事情，”伊林沃思说。
