我們即將寫下一部近乎完整的宇宙歷史。天文學家現在已經觀察到星系可以追溯到宇宙大爆炸的97%，也就是138億年前。
來自這樣一個名為SPT0615-JD的星系的光，在133億年前開始了它向地球的旅程。2017年，它到達了哈勃太空望遠鏡，在那裡，一個名為「再電離透鏡星系團調查(遺蹟)」的項目第一次看到了它，這個項目的目的是發現宇宙中最早的一些星系。從2015年10月到2017年10月，這些遺蹟佔據了哈勃100多個小時的觀測時間和斯皮策太空望遠鏡900多個小時的觀測時間。該項目發現了300多個來自宇宙最初10億年的候選星系。
這些星系之所以吸引人，是因為它們提供了一種視角，讓我們了解到我們歷史上仍完全未知的一小段。通過研究這些天體，我們希望了解最初的星系是如何形成的，以及如何影響新生的宇宙。例如，我們相信像SPT0615-JD這樣的星系通過噴射出周圍氣體吸收的紫外線改變了早期的空間，把宇宙中第一個中性原子變成了它們開始時的孤質子和電子(這個過程被稱為再電離)。然而，這一過程如何以及何時發生的細節仍不清楚。如果幸運的話，我們正在觀測的古老星系將會改變這一狀況。
第一個星系
早期的星系並不像我們今天所知道的那樣。第一個星系更為原始，主要由氫氣和氦氣組成。隨著時間的推移，它們的恆星會融合原子形成更重的元素，當這些恆星在超新星爆炸中死亡時，這些重元素分散在整個星系中，使它們富含「恆星物質」，包括創造生命所需的元素。第一個星系還沒有形成宏偉的螺旋形圖案，或者像我們現在看到的那樣膨脹的橢圓球。它們無序得多，體積也小得多(這使得它們更難找到)。我們所見過的最早的星系大約只有我們銀河系的1%大小，但它們正在迅速成長，以驚人的速度形成新的恆星。那時燃料充足；早期的星系沐浴在由重力吸引而來的氫氣流中。這些星系相互碰撞並頻繁合併，加速了它們的生長，並引發了新的恆星形成暴增。隨著時間的推移，宇宙膨脹，星系增長放緩，重大合併變得不那麼頻繁，氣體供應變薄。
這幅圖是我們對宇宙歷史的基本理解。我們仍在努力填補細節，許多問題仍然存在，特別是圍繞最早的時代。第一個星系是什麼時候形成的？它們有多小？他們長什麼樣？它們是未來星系的「積木」，只有一個大的恆星形成區域，還是更加碎片化和塊狀？它們都爆發出強烈的恆星形成，還是像今天的大多數星系一樣，有一些更放鬆？早期的星系是否有時間像銀河系那樣形成盤狀結構，或者它們是否過於頻繁地合併而無法形成盤狀結構？我們會找到充滿原始氫氣和氦氣的星球嗎？還是第一顆超新星用較重的元素過快地富集了它們？早期星系在質量和數量上是如何快速形成的？事實上，它們是否對宇宙的再電離負有責任？從文物中得到的結果，我們將進一步回答這些問題。
紅色模糊：在哈勃太空望遠鏡拍攝的圖像中，一條微弱的條紋代表了SPT0615-JD，這是已知的最遠的星系之一。宇宙的放大鏡
這些遺蹟依靠一種叫做引力透鏡的技術來窺視遙遠的過去。我們利用了大自然自己的放大鏡，以大質量星系團的形式。根據愛因斯坦的廣義相對論，這些星系群的質量之和如此之大，以至於它們的引力使時空發生彎曲。當來自更遙遠物體的光穿過宇宙時，它會沿著星團周圍彎曲的時空運動，並在這個過程中被放大。當它到達地球時，這個遙遠的物體看起來彎曲和拉伸，有時會出現多個圖像。如果這個效果看起來很抽象，你可以找到一個類似的例子，就像你的下一杯酒一樣。透過酒杯底部看一根點燃的蠟燭，你會看到許多放大的火焰圖像。
放大後的星系比正常星系更明亮，解析度也更高，這讓我們能夠更好地研究它們的性質。觀測天空強透鏡區域的另一個優勢是，我們發現遙遠星系的效率比觀測「空白」區域(如著名的哈勃深場)要高。這個結果並不明顯，實際上是有權衡的。透鏡放大使更多暗淡的星系進入視野。但它也放大了包含更少星系的更小區域。哪種效果會勝出？透鏡效應是通過放大許多微弱的星系進入視野，以補償面積的損失。在早期的宇宙中，小而暗的星系非常豐富，這意味著我們可以通過搜索星系團強烈透鏡化的圖像來探測更多的遙遠星系。
過去七年中，哈勃望遠鏡所進行的三個最大的項目中，有三個使用了星系團引力透鏡來尋找遙遠的星系。這些項目還與斯皮策望遠鏡合作，斯皮策望遠鏡在紅外光下的觀測波長比哈勃望遠鏡要長。第一次，哈勃望遠鏡的星系團透鏡和超新星觀測(碰撞)，是由巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所的Marc Postman領導的一個為期三年的項目，旨在觀察25個星系團。2012年，我發現了MACS0647-JD，這是一個在大爆炸後4.2億年被觀測到的星系。這是一個強有力的候選人最遙遠的星系，僅次於2016年，耶魯大學的帕斯卡Oesch發現星系從2000萬年前，這一次與宇宙組裝近紅外深度銀河系外的遺產調查，一個大哈勃望遠鏡掃描相對空白的整片天空,沒有得到強有力的透鏡。
在《衝突》獲得成功後，我幫助說服了當時哈勃望遠鏡的主管馬特·芒特將星系團納入哈勃望遠鏡的下一個大項目:由STScI的詹妮弗·洛茲(Jennifer Lotz)領導的前沿領域。這個項目是在哈勃深空望遠鏡項目的基礎上進行的，之前的深空望遠鏡項目對小塊天空進行了多日的觀測。這些早期的項目瞄準的是科學家們能找到的最空曠的天空區域，那裡沒有相對明亮的「近距離」星系(距離我們只有數十億光年)，這些星系會阻礙我們觀察更遙遠的宇宙。
哈勃的第一張深場圖像是1995年10天內拍攝的342張曝光照片的合成，它揭示了一個事實：在一臂之遙、一粒沙子大小的一片空白天空中，出現了大約3000個星系。隨後的哈勃深場南和超深場也同樣小心地避開了附近的星系。前沿領域大膽地打破了這一傳統，獲得了包含30億到50億光年之外一些最密集星系的6個區域的深度圖像。該項目還觀察了附近六個相對空白的區域，更多的是在以前的深領域項目的傳統。通過利用引力透鏡增強哈勃和斯皮策的能量，前沿場揭示了迄今為止觀測到的最小、最微弱的遙遠星系。
歷史遺蹟
在與前沿領域發生衝突之後，目前還不清楚天文學家是否會批准哈勃望遠鏡提出的另一項觀測星系團的大型計劃。但我發現，哈勃從未在近紅外波段觀測到過許多巨大的星團，而在近紅外波段，遙遠的星系將會出現。(隨著宇宙的膨脹，來自遙遠物體的光被拉伸，並向更長的、更紅的波長移動——這種效應被稱為紅移。)我發現了一組自然望遠鏡，在最初的十億年裡，我們在尋找星系時，還沒有看到它們。
我在歐洲航天局的普朗克太空望遠鏡於2015年編制的目錄中找到了這些星團。普朗克更著名的是其詳細的宇宙微波背景(CMB)的全天圖像，這是宇宙中最早觀測到的輻射。但它也能夠通過記錄1000多個大質量星系團對CMB光的扭曲效應來對它們進行分類。這些星系團大多為人所知，但也有許多是新發現。我發現目錄中最大的星團Abell 2163，哈勃望遠鏡只在可見光波段觀測到，而不是近紅外波段。第二個最大的星團——普朗克最近的發現之一，plck G287.0+32.9——在地面成像中顯示出自己是一個出色的透鏡，但是哈勃還沒有看到它。
我列出了41個缺乏哈勃近紅外成像的大質量星團，並召集了一組天文學家幫助撰寫一份觀察它們的大型提案。我們要求哈勃在其環繞地球的190次軌道上使用，大約佔當年可供提議的觀測時間的5%，相當於100多個小時的觀測。哈勃望遠鏡的所有提議都提交後，來自世界各地的天文學家聚集在巴爾的摩，對它們進行了討論。我們的團隊很幸運地在2015年6月得知，我們的提議被接受為哈勃第23個完整的科學運作年度中最大的一般觀察者計劃。
哈勃的廣域相機3紅外通道(WFC3/IR)觀測了所有41個星團。我們還用該望遠鏡的高級巡天照相機(ACS)在紅色、綠色和藍色可見光波段觀察到了它們(如果它們還沒有被觀測到的話)。高解析度的ACS圖像幫助我們測量星系團的透鏡特性，並估計在WFC3/IR圖像中發現的遙遠星系的放大程度。我們觀察了7種不同波長的光，波長從0.4微米到1.7微米不等，這使我們能夠將每個星系的光分離成其組成顏色。通過觀察已知的光的特徵，比如中性氫吸收的特定波長，我們可以估計出星系的光被紅移了多少，因此它有多遠。
我們還獲得945小時的觀測時間與斯皮策提議由Marua Brada的加州大學戴維斯與斯皮策的重要貢獻主任湯姆道理。斯皮策望遠鏡的波長提供了對早期星系中恆星的更全面的普查，使我們能夠測量它們的恆星質量，以及它們是否真的像哈勃圖像中所顯示的那麼遠。
發現
2017年，SPT0615-JD向博士後天文學家布雷特·薩爾蒙展示了自己，他是我和STScI文物副首席研究員拉裡·布拉德利(Larry Bradley)共同僱用的。它並沒有立即從哈勃的圖像中跳出來，成為唯一的物體。對我們來說，星系呈現紅色的原因各不相同。一些是高度紅移，如SPT0615-JD。其他星系則被塵埃雲所籠罩，塵埃雲吸收更藍的光，然後以紅外線的形式重新發射出去，使得星系看起來比實際更紅。還有一些紅色星系更古老——它們已經有一段時間沒有形成很多新恆星了，而那些存活下來的恆星壽命更長，顏色更紅。紅星系也可能是這些元素的任意組合:紅移、塵埃和古老。
斯皮策在3到5微米的觀測對於幫助我們區分遙遠的紅移星系和不那麼遙遠的星系是至關重要的，這些星系本質上是紅色的，在斯皮策的波長下看起來甚至更亮。事實上，我們最初在哈勃望遠鏡的圖像中發現了三個候選星系(包括SPT0615-JD)，它們似乎處於紅移，或者說「z」，大約是10個，可以追溯到宇宙不到5億年的時候，也就是130多億年前。然而，對斯皮策觀測結果的分析顯示，其中兩個更有可能處於大約兩個紅移的位置，當時宇宙「只有」30億年的歷史(接近目前年齡的四分之一)。* SPT0615-JD在斯皮策的分析中倖存下來，更有可能成為紅移10的候選人。
結合Salmon的哈勃分析和加州大學戴維斯分校維多利亞海峽的斯皮策分析，我們發現SPT0615-JD發出的光在1.34微米左右下降，所有較小波長的光都消失了。這種光被吸收是因為它激發了初期宇宙中的氫氣，或者使之重新電離，使原子重新變成離子。SPT0615-JD頻譜的硬中斷非常有用，因為它允許我們測量它的距離。雖然我們在1.34微米左右看到了這種斷裂，但我們知道中性氫吸收的紫外線波長小於0.1216微米。SPT0615-JD光譜中原始斷裂和觀測斷裂的比值揭示了宇宙膨脹了多少，它的光被紅移了多少，因此也揭示了它離我們有多遠。
我們看到SPT0615-JD在紅移10的時候，宇宙只有現在年齡的3.5%。這個年代使SPT0615-JD成為我們所知道的最古老的星系之一。已知還有兩個星系距離地球稍遠，紅移為11，這是在宇宙誕生4億年時觀測到的。但是哈勃望遠鏡顯示這些星系只是簡單的紅外點，小到我們無法辨別它們內部結構的任何細節。SPT0615-JD是特別的。它的光線被引力透鏡拉伸和放大，讓我們對這樣一個早期星系有了最詳細的了解。
在我們目前的觀測中，它看起來可能不太像，但我們希望能拍攝更深入的哈勃圖像，以揭示更多細節，並揭示由加州大學歐文分校的Rachel Paterno-Mahler預測的這一星系的多幅模糊透鏡圖像。我們還與阿塔卡馬大毫米陣列(ALMA)有一個已被接受的觀測程序，我們希望該程序能證實我們的距離測量並顯示氧氣，這將是迄今為止對這種重元素的最早探測。我們還將利用NASA的下一個旗艦天文臺——詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)提出觀測方案，該望遠鏡可以提供銀河系內部運行的詳細圖像，測量其對再電離的貢獻，並揭示其化學組成，無論是原始的氫和氦，還是富含較重元素的元素。
SPT0615-JD是遺蹟中最值得注意的發現，但我們也在宇宙最初的10億年裡發現了300多個古老星系候選體(尚待確認)。其中最明亮的星系可以追溯到早期，這將使我們能夠更詳細地研究它們。起初，我發現這很令人驚訝，因為地面望遠鏡觀測到的天空面積比地面望遠鏡觀測到的要大很多倍。但在對這些數據進行分析後，結果與預期相符。通過使用哈勃、斯皮策和透鏡的優勢，遺蹟能夠在這些距離上發現更明亮的星系。
我們故事中的差距
我們通過遺蹟發現的古老星系正在幫助填補宇宙學歷史書中缺失的一大塊。科學家們有一個關於時間最初時刻的基本理論，那是大爆炸引發宇宙的時候，宇宙在一個叫做膨脹的時期迅速膨脹。在空間和時間誕生後的38萬年左右，宇宙已經冷卻到足以形成第一個原子並使光自由流動。今天我們看到CMB的餘輝。
在這張快照之後，我們的故事中出現了4億年的空白。我們還沒有觀察到當時存在的任何一個物體。3%的宇宙歷史對我們來說是未知的。但我們知道這是多事之秋。第一批恆星形成於宇宙大爆炸後大約1億年。然後，我們認為，恆星開始聚集，最終形成了第一個星系。來自這些星系的光從氫原子中射出並散射出去，使氫原子電離並釋放出電子。
通過研究這些星系來理解這個過程是如何發生的，對於填補我們起源故事中缺失的那一頁至關重要。在此之前的文物和項目，如衝突、燭臺和前沿領域，都取得了巨大的進步，但我們預計當JWST發布時，會有更大的飛躍。該天文臺將於2021年發射升空，它將成為人類有史以來最強大的追溯最早時代的工具。用比以前的望遠鏡更大的鏡子在更長的波長下觀察，它將能夠看到更模糊、更遙遠的星系，解析度比以前的任何天文臺都高。它應該能夠確定這些星系的質量和組成，以及它們對再電離的貢獻。
引力透鏡幫助我們用現有的望遠鏡發現了遙遠的星系，我預計這種優勢在JWST更高的紅移時將會更大。當我們回顧過去，我們發現較小的星系在整個普查中所佔的比例越來越大。如果這一趨勢持續到頭4億年，透鏡的優勢將會進一步擴大。根據目前的估計，我預測透鏡現象將是發現第一個具有JWST的星系的關鍵。
JWST幾乎肯定會在大爆炸後的3億年看到星系，我強烈懷疑透鏡效應會讓我們在最初的2億年看到星系，將我們的歷史差距縮小一半，也就是說，如果星系形成得那麼早的話。
一旦JWST發布，我們就需要立即投入運行，因為我們可能只有5到10年的時間來使用它。儘管哈勃望遠鏡在發射後的28年裡運行良好，但JWST的燃料只能維持其軌道10年。它將飛離地球約100萬英裡，這對於太空人來說太遠了，他們無法為它提供服務、維修或添加新的儀器，就像他們為哈勃做過幾次那樣。文物最利用JWST至關重要,我們有它,因為它已經確定了一些最好的古老星系的新望遠鏡觀察細節,以及最gravitation-ally有透鏡的天空中,詹姆斯韋伯太空望遠鏡可以搜索領域的新星系。
回顧
我們的銀河系可能和SPT0615-JD一樣古老。不同之處在於，我們現在看到的是我們的星系，而對它在早期宇宙中的樣子卻一無所知。因為SPT0615-JD的光花了很長時間才到達這裡，我們看到的是它年輕時的化石版本。
但是SPT0615-JD和我們的星系可能有著相似的歷史，在過去的130億年裡形成了巨大的星系。行星可能形成於SPT0615-JD星系的恆星周圍。也許在其中的一些行星上，生命形成了。也許其中一些生命發展出了智能、文化、技術和太空望遠鏡。如果是這樣的話，他們現在可能正在通過相同的星系團回望我們，看到我們的星系被放大成一個淡紅色的點，就像它誕生後不久的樣子。
這些可能性就是我們探索宇宙前沿的原因:去發現我們的起源，並最終找到我們自己。