天体物理学家发现了宇宙的耳语 早期宇宙中最微弱的JD1星系

JD1星系的投影图（插图），它位于一个名为Abell2744的明亮星系团后面。Guido Roberts-Borsani/UCLA）；原始图像： NASA, ESA, CSA, Swinburne University of Technology, University of Pittsburgh, STScI

在大爆炸之后，宇宙膨胀并冷却到足以让氢原子形成。由于没有来自第一批恒星和星系的光，宇宙进入了一个被称为宇宙黑暗时代的时期。

第一批恒星和星系在几亿年后出现，并开始燃烧掉大爆炸留下的氢雾，使宇宙变得透明，就像今天这样。

由加州大学洛杉矶分校的天体物理学家领导的研究人员证实了一个遥远的、微弱的星系的存在，该星系是那些光线烧穿氢原子的典型星系；这一发现应该有助于他们理解宇宙黑暗时代是如何结束的。

由加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）天体物理学家领导的一个国际研究小组已经证实了早期宇宙中所见到的最微弱的星系的存在。这个被称为JD1的星系是迄今为止被确认的最遥远的星系之一，它是典型的那种烧穿大爆炸留下的氢原子雾的星系，让光线照亮宇宙并将其塑造为今天的样子。

这一发现是利用美国宇航局的詹姆斯-韦伯太空望远镜进行的，其结果发表在《自然》杂志上。

宇宙生命的头十亿年是其演变的关键时期。在大爆炸之后，大约138亿年前，宇宙膨胀并冷却到足以让氢原子形成。氢原子吸收来自年轻恒星的紫外线光子；然而，在第一批恒星和星系诞生之前，宇宙变得黑暗，进入了一个被称为宇宙黑暗时代的时期。几亿年后，第一批恒星和星系的出现使宇宙沐浴在充满活力的紫外线中，开始燃烧，或电离氢雾。这反过来又使光子能够穿越空间，使宇宙变得透明。

确定在那个时代占主导地位的星系类型--被称为"离子化时代"--是今天天文学的一个主要目标，但是在韦伯望远镜开发之前，科学家们缺乏研究第一代星系所需的敏感的红外仪器。

加州大学洛杉矶分校博士后研究员、该研究的第一作者Guido Roberts-Borsani说："迄今为止，用JWST发现的大多数星系都是明亮的星系，这些星系很罕见，而且不被认为特别能代表填充早期宇宙的年轻星系。因此，虽然很重要，但它们不被认为是烧掉所有氢雾的主要媒介。"

"另一方面，像JD1这样的超暗星系要多得多，这就是为什么我们相信它们更能代表进行再电离过程的星系，使紫外线在空间和时间中不受阻碍地传播。"

JD1是如此的昏暗和遥远，以至于如果没有强大的望远镜--以及来自大自然的帮助，研究它是具有挑战性的。JD1位于附近一个名为Abell 2744的大型星系团后面，这些星系团的综合引力弯曲并放大了来自JD1的光线，使得它看起来更大，比原来的亮度高13倍。这种效应被称为引力透镜，类似于放大镜如何扭曲和放大其视野内的光线；如果没有引力透镜，JD1可能会被错过。

研究人员利用韦伯望远镜的近红外光谱仪NIRSpec获得了该星系的红外光谱，使他们能够确定它的精确年龄和与地球的距离，以及它在相对较短的寿命内形成的恒星数量和灰尘及重元素数量。

该星系的引力放大和韦伯望远镜的另一个近红外仪器NIRCam的新图像相结合，也使研究小组有可能以前所未有的细节和分辨率研究该星系的结构，揭示了正在形成恒星的三个主要拉长的灰尘和气体团块。研究小组利用新的数据将JD1的光线追溯到它的原始来源和形状，揭示了一个紧凑的星系，其大小只是像银河系这样的老星系的一小部分，而银河系的年龄为136亿年。

由于光线到达地球需要时间，所以JD1被看作是大约133亿年前的样子，当时宇宙的年龄只有现在的大约4%。

"在韦伯望远镜开启之前，就在一年前，我们甚至无法梦想确认这样一个微弱的星系，"加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授、该研究的第二作者Tommaso Treu说。"JWST和引力透镜的放大能力的结合是一场革命。我们正在改写关于星系如何在大爆炸后立即形成和演化的书"。