大爆炸之后不久，宇宙处于完全黑暗的世界中。为宇宙提供光的恒星和星系尚未形成，宇宙由中性氢和氦原子以及看不见的暗物质组成。
宇宙黑暗时代持续了数亿年后，出现了第一批恒星和星系。不幸的是，科学家想要对这个时代的观测具有很大的挑战性，因为黑暗时代的星系异常微弱。
威利斯领导的科学家团队通过星系考古，在《自然》杂志上发表了他们的研究成果，让我们对黑暗时代发生的事情有了一个初步的了解。
通过测量已知的最遥远星系团中恒星的年龄，研究人员确定了在黑暗时代形成恒星的星系的位置，该事件发生的时间接近恒星可能出现的最早时间。
对遥远星系团的观测表明，恒星形成开始于大爆炸之后的3.7亿年。研究结果提供了有关宇宙中首批恒星和星系何时何地出现的关键细节。
星系团是由成千上万个星系组成的群，它们以每秒约1,000公里的速度相互绕行。它们所附带的暗物质的引力阻止它们飞散，暗物质的总质量相当于一百万亿个太阳。
天文学家利用这些星团作为许多天体物理学实验的实验室，例如测量宇宙的组成，测试引力理论以及确定星系的形成方式。威利斯则用已知最遥远的星系团之一来研究宇宙中最大的星系开始产生恒星的信息。
虽然邻近的星系团比较远的星系团更容易观察到，例如如彗发座超星系团，但我们无法精确地测量它们的年龄，因为这些星系非常古老。我们很难区分一个70亿年历史的星系和一个130亿年历史的星系。
因此为了获得星团首次形成恒星的准确时间，威利斯和他的同事使用了美国宇航局的哈勃太空望远镜，对他们所能找到的最遥远的星团之一进行观测。
因为光的传播速度是有限的，所以我们所能看到的最遥远的星系团，也是我们所能看到的宇宙最早期的星系团。威利斯等人对于星团发出的光进行了研究，这些光在到达地球之前已经传播了104亿年，这意味着我们看到的星团是在大爆炸33亿年之后产生的。因此这个星系团就像打开早期宇宙的钥匙孔，我们从中可以通过它窥视早期的宇宙。
威利斯和他的同事们发现，这个星系团包含了几个具有相似红色的星系。星系的颜色可以用来估计它们的年龄，因为较新的恒星比较老、较红的恒星更蓝。因此显示为红色的星系在很久以前就形成了恒星。
通过用这些模型比较星系团的颜色，研究人员估计这些星系的恒星在宇宙只有3.7亿年的时候就开始出现了。而这个时期则是我们认为在宇宙的黑暗时代最早形成的恒星。
一个特别有趣的观点是，威利斯团队在星系团中发现了至少19个颜色相似的星系，这意味着这些星系的年龄相似。当这些星系形成它们的恒星时，它们本应均匀地分散开了，所以这是一个谜题，为什么它们几乎同时开始产生恒星。他们是否受到环境的影响?或者一个星系中的恒星形成是否以某种方式引发了连锁反应，导致附近气体云中的恒星形成?
研究人目前还没有答案，但从目前的研究可以清楚地看出，这些遥远的星系团中充满了宇宙中最古老的星系。
NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜未来发射之后，将能够测量这些星系发出的光的光谱。将光谱与模型进行比较将比使用星系的颜色能够更加精准地确定恒星的年龄。至少在目前，威利斯团队对恒星的年龄估计可能是最精确的结果。
