天文学家们发现了一个极为年轻的星系 存在于宇宙不到3亿年

这张来自美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜的红外图像是由詹姆斯·韦伯太空望远镜高级深空河外星系巡天（JADES）项目的机载近红外相机拍摄的。NIRCam 数据用于确定哪些星系需要通过光谱观测进行进一步研究。其中一个星系 JADES-GS-z14-0（如图所示）的红移被确定为 14.3，使其成为目前已知最远星系的记录保持者。这对应于大爆炸后不到 3 亿年的时间。图片来源：美国宇航局、欧洲航天局、加拿大空间局、STScI、布兰特·罗伯逊（加州大学圣克鲁斯分校）、本·约翰逊（CfA）、桑德罗·塔切拉（剑桥大学）、菲尔·卡吉尔（CfA）

亚利桑那大学的天文学家发现了有关一个非常成熟的星系的新细节，该星系存在于宇宙诞生不到 3 亿年的时候，当时的年龄仅为当前年龄的 2%。

研究人员利用美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜 ( JWST ) 研究了这个被称为 JADES-GS-z14-0 的星系，发现对于宇宙历史的早期来说，它出乎意料地明亮，化学成分也非常复杂。这一发现为了解宇宙的形成时期提供了一个难得的窗口。

这项研究发表在《自然天文学》杂志上，以2024 年的一项发现为基础，该发现将 JADES-GS-z14-0 确定为有史以来观测到的最遥远的星系。虽然最初的发现确定了它的极端距离和惊人的亮度，但新的研究更深入地探索了它的化学组成和演化状态。

该研究是詹姆斯·韦伯太空望远镜高级深海河外星系巡天（ JADES ）的一部分，JADES是一项旨在探测遥远星系的大型项目。

这项研究的合著者、亚利桑那大学斯图尔德天文台副研究员凯文·海因莱恩说，这不仅仅是偶然发现了意想不到的东西。这项调查是专门为寻找遥远星系而设计的，但这个星系以他们没有预料到的方式打破了团队的记录；它本质上很明亮，化学成分复杂，这在宇宙历史的早期是完全出乎意料的。

“它不只是一个很小的块状物。它很明亮，而且就我们观察到的宇宙年龄而言相当宽广，”海因莱因说。

宇宙的时间线：虽然我们不确定第一批恒星何时开始发光，但我们知道它们一定是在重组时代之后的某个时间形成的，那时氢原子和氦原子形成（大爆炸后 38 万年），并且在已知最古老的星系存在之前（大爆炸后 4 亿年）。第一批恒星发出的紫外线将充满宇宙的中性氢气分解成氢离子和自由电子，开启了再电离时代，结束了宇宙的黑暗时代。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI

“我们在天空的一个小区域发现了这个星系，这意味着那里应该还有更多这样的星系，”这项研究的主要作者、斯图尔特天文台的研究生雅各布·赫尔顿说。“如果我们观察整个天空，而詹姆斯·韦伯太空望远镜做不到这一点，我们最终会发现更多这样的极端物体。”

研究团队使用了詹姆斯·韦伯太空望远镜上的多种仪器，包括近红外相机（NIRCam），其制造由阿尔伯塔大学天文学教授 Marcia Rieke 领导。望远镜上的另一台仪器——中红外仪器（MIRI）揭示了一些不同寻常的东西：大量的氧气。

赫尔顿说，在天文学中，任何比氦重的物质都被认为是“金属”。这种金属需要一代又一代的恒星才能产生。早期宇宙只含有氢、氦和微量的锂。但在 JADES-GS-z14-0 星系中发现大量氧气表明，该星系在被观测到之前可能已经形成了 1 亿年的恒星。

天文学教授、这项研究的资深作者乔治·里克说，为了产生氧气，星系必须很早就开始了，因为它必须形成一代恒星。这些恒星必须进化并爆炸成为超新星，将氧气释放到星际空间，新的恒星将从中形成和进化。

“要获得这个星系中这么多的氧气，需要非常复杂的循环。所以，这真的令人难以置信，”里克说。这一发现表明恒星的形成时间比科学家之前认为的还要早，这推迟了宇宙大爆炸后第一个星系形成的时间。

此次观测需要大约九天的望远镜时间，包括 167 小时的 NIRCam 成像和 43 小时的 MIRI 成像，重点关注天空中极小的一部分。

阿尔伯塔大学的天文学家很幸运，这个星系恰好位于他们用 MIRI 观测的最佳位置。赫尔顿说，如果他们将望远镜指向任何方向，哪怕只有几分之一度，他们就会错过这一至关重要的中红外数据。

“想象一下你手臂末端的一粒沙子。你看它在天空中有多大——这就是我们所看到的有多大，”赫尔顿说。

在宇宙历史的早期就存在如此发达的星系，为星系形成的理论模型提供了一个有力的试验案例。

“我们之所以能参与其中，是因为阿尔伯塔大学自 20 世纪 60 年代中期红外天文学刚刚起步时就一直处于领先地位。我们在月球和行星实验室拥有第一个主要的红外天文学小组，成员包括 Gerard Kuiper、Frank Low 和 Harold Johnson，”Rieke 说道。

随着人类获得直接观察和了解宇宙初期存在的星系的能力，它可能为了解宇宙如何从简单元素演变为我们所知的生命所必需的复杂化学性质提供关键见解。

“我们正处于天文学史上一个不可思议的时代，”海因莱恩说。“我们能够了解远远超出人类发现范围的星系，并以多种不同的方式观察它们，真正理解它们。这真的很神奇。”

编译自/ScitechDaily