科普：第一批恒星和星系

大爆炸后大约40万年，我们今天看到的宇宙微波背景辐射余辉中的宇宙开始进入“黑暗时代”，之所以这样命名，是因为我们今天看到的明亮的恒星和星系还没有形成。在这个阶段，宇宙中的大部分物质都是暗物质，剩下的少量普通物质主要由中性的氢和氦组成。

在接下来的几亿年里，宇宙进入了其进化的关键转折点，被称为再电离时代。在此期间，暗物质通过自身的引力作用开始坍缩成被称为晕的大致球形结构。普通物质也被拉进这些光晕中，最终形成了第一批恒星，它们被点燃，成为宇宙中第一批发光的物体。

这些恒星与太阳等恒星非常不同。首先，它们的质量要大得多；它们燃烧得更热、更蓝、更亮，释放出大量的紫外线，这些紫外线的能量足以将电子从中性物质中剥离出来，这一过程被称为宇宙再电离。

第一批恒星只含有氢、氦和微量的锂——这三种最轻的元素是在宇宙大爆炸后不久产生的。这些恒星的亮度要高得多，这也使它们的寿命比类太阳恒星短得多，因为它们在更短的时间内消耗掉所有的燃料（数百万年，而像太阳这样的恒星则需要数百亿年），并在它们生命的最后以剧烈的超新星爆炸。到那时，它们的聚变炉已经产生了许多更重的元素，这些元素被爆炸的恒星释放到它们的环境中。这促进了下一代恒星的形成，这些恒星与我们的太阳更相似。

虽然再电离时代发生在宇宙过去的深处，但它处于我们当前宇宙学观测的最前沿。事实上，研究人员对这一时期了解得越多，就越能揭示宇宙黑暗时代的结束、第一批恒星和星系的出现以及宇宙结构的演变。它还让科学家们得以一窥所谓的黑暗时代本身，即夹在宇宙微波背景辐射释放和再电离之间的一段时期。因此，通过研究再电离，研究人员更接近探索黑暗时代本身。

为了更好地理解再电离的过程，KIPAC的研究人员已经采取了许多方法。目前，KIPAC的研究人员正在利用超级计算机进行最先进的计算机模拟，以扩大他们的理解。这些模拟阐明了第一批星系的形成及其在星系际介质再电离中的作用。研究人员还在创建模型，将宇宙化石记录——附近星系中的恒星——与这些早在130亿年前发生的事件联系起来。

最终的挑战在于如何观测到第一批恒星和星系发出的微弱而遥远的光。的詹姆斯·韦伯太空望远镜有望使研究人员比以往任何时候都更接近这一目标。另一个目标是探测黑暗时代中性氢发出的更微弱的射电辉光。为此，KIPAC的科学家们正在建造下一代仪器，以探测宇宙微波背景上再电离的印记——大爆炸的余辉和强大的宇宙背光，以照亮宇宙深处的过去。