大爆炸之後不久，宇宙處於完全黑暗的世界中。為宇宙提供光的恆星和星系尚未形成，宇宙由中性氫和氦原子以及看不見的暗物質組成。

宇宙黑暗時代持續了數億年後，出現了第一批恆星和星系。不幸的是，科學家想要對這個時代的觀測具有很大的挑戰性，因為黑暗時代的星系異常微弱。

威利斯領導的科學家團隊透過星系考古，在《自然》雜誌上發表了他們的研究成果，讓我們對黑暗時代發生的事情有了一個初步的瞭解。

透過測量已知的最遙遠星系團中恆星的年齡，研究人員確定了在黑暗時代形成恆星的星系的位置，該事件發生的時間接近恆星可能出現的最早時間。

對遙遠星系團的觀測表明，恆星形成開始於大爆炸之後的3。7億年。研究結果提供了有關宇宙中首批恆星和星系何時何地出現的關鍵細節。

星系團是由成千上萬個星系組成的群，它們以每秒約1，000公里的速度相互繞行。它們所附帶的暗物質的引力阻止它們飛散，暗物質的總質量相當於一百萬億個太陽。

天文學家利用這些星團作為許多天體物理學實驗的實驗室，例如測量宇宙的組成，測試引力理論以及確定星系的形成方式。威利斯則用已知最遙遠的星系團之一來研究宇宙中最大的星系開始產生恆星的資訊。

雖然鄰近的星系團比較遠的星系團更容易觀察到，例如如彗發座超星系團，但我們無法精確地測量它們的年齡，因為這些星系非常古老。我們很難區分一個70億年曆史的星系和一個130億年曆史的星系。

因此為了獲得星團首次形成恆星的準確時間，威利斯和他的同事使用了美國宇航局的哈勃太空望遠鏡，對他們所能找到的最遙遠的星團之一進行觀測。

因為光的傳播速度是有限的，所以我們所能看到的最遙遠的星系團，也是我們所能看到的宇宙最早期的星系團。威利斯等人對於星團發出的光進行了研究，這些光在到達地球之前已經傳播了104億年，這意味著我們看到的星團是在大爆炸33億年之後產生的。因此這個星系團就像開啟早期宇宙的鑰匙孔，我們從中可以透過它窺視早期的宇宙。

威利斯和他的同事們發現，這個星系團包含了幾個具有相似紅色的星系。星系的顏色可以用來估計它們的年齡，因為較新的恆星比較老、較紅的恆星更藍。因此顯示為紅色的星系在很久以前就形成了恆星。

透過用這些模型比較星系團的顏色，研究人員估計這些星系的恆星在宇宙只有3。7億年的時候就開始出現了。而這個時期則是我們認為在宇宙的黑暗時代最早形成的恆星。

一個特別有趣的觀點是，威利斯團隊在星系團中發現了至少19個顏色相似的星系，這意味著這些星系的年齡相似。當這些星系形成它們的恆星時，它們本應均勻地分散開了，所以這是一個謎題，為什麼它們幾乎同時開始產生恆星。他們是否受到環境的影響？或者一個星系中的恆星形成是否以某種方式引發了連鎖反應，導致附近氣體雲中的恆星形成？

研究人目前還沒有答案，但從目前的研究可以清楚地看出，這些遙遠的星系團中充滿了宇宙中最古老的星系。

NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡未來發射之後，將能夠測量這些星系發出的光的光譜。將光譜與模型進行比較將比使用星系的顏色能夠更加精準地確定恆星的年齡。至少在目前，威利斯團隊對恆星的年齡估計可能是最精確的結果。