詹姆斯韋伯太空望遠鏡發現了遙遠星系重塑其宇宙環境的最早跡象

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡觀測到一個遙遠的星系在其周圍的氣體中噴出意想不到的氣泡，此時距大爆炸僅 3.3 億年。

這個星係被稱為 JADES-GS-z13-1，標誌著宇宙再電離時代的最早跡象天文學家在 3 月 27 日報告稱，這是宇宙歷史上的一個變革時期，第一批恆星和星系開始重塑其環境。自然。

哥本哈根大學的天體物理學家喬里斯·維斯托克 (Joris Witstok) 表示：“這無疑在地圖上確定了第一個點，[再電離]很可能已經開始了。”在宇宙歷史上“沒有人預測到它會這麼早”。

在 JADES-GS-z13-1 和其他類似物體開始發光之前的數百萬年裡，宇宙中充滿了寒冷的中性氣體，主要是氫氣和氦氣。這種氣體吸收了大爆炸後約 2 億年前所有恆星發出的短波長光。但隨著越來越多的恆星開始燃燒並聚集成星系，它們產生了足夠的紫外線，將電子從中性氣體原子上擊落，將它們電離，並使氣體對短波長光透明。

這種電離的一個清晰信號來自於一種稱為萊曼-α 的特定紫外波長光，它是由受激氫原子返回到最低能態產生的。看到從星係發出的萊曼-α光子意味著星系一定在其周圍吹出了一個足夠大的電離氣體氣泡，足以讓光粒子到達我們今天的望遠鏡。

“你可以把星系想像成小萊曼-α手電筒，”德克薩斯大學奧斯汀分校的天體物理學家史蒂文芬克爾斯坦說，他沒有參與這項新研究。 “如果你能看到萊曼-α，這意味著它們位於宇宙的電離部分。”如果看不到萊曼-α，星係就會被中性氫霧籠罩。

先前的觀測表明，宇宙在大爆炸後約十億年完全電離。但很難判斷這個過程何時開始，或者到底是什麼產生了光。

Witstok 及其同事使用 JWST 對 JADES-GS-z13-1（這些早期星系中最清晰的星系之一）進行了近 19 個小時的觀察，將其光線分成一系列波長的光譜，以尋找星系構成的細節。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡旨在尋找這些明亮而古老的星系。隨著宇宙的膨脹，這些星系最初發出的紫外線被拉伸到更長的紅外線波長。自 2022 年開始運營以來，JWST 的靈敏紅外探測器已經其光芒早來自於不到3億年大爆炸之後。

令他們驚訝的是，研究人員發現了來自 JADES-GS-z13-1 的清晰、明亮的萊曼-α 光子信號。如果你站在銀河系旁邊，光是這道光就可以像 100 億個太陽一樣明亮。

維特斯托克說，“我們突然看到了這條巨大的、蓬勃發展的發射線”，這使得 JWST 發現的所有其他遙遠星系“看起來有點無聊”。 “它的純粹力量告訴我們，無論這個來源是什麼，都必須非常非常強大，並且不同於我們以前見過的任何東西。”

墨爾本大學的宇宙學家米歇爾·特倫蒂（Michele Treenti）表示，這一發現“既令人驚訝又令人興奮”。他沒有參與這項研究，並在自然。 “我沒想到萊曼-α 星係發出的紫外線能夠到達 JWST，”她說。 “這表明早期形成的星系在重新加熱宇宙方面比之前認為的更有效。”

目前還不清楚光源到底是什麼。光可能來自落入星系中心超大質量黑洞時被加熱的物質。該星係緊湊的尺寸支持了這一想法——看起來它的直徑只有大約 230 光年，而銀河系的直徑有 100,000 光年。

這種光也可能來自極熱的大質量恆星，其質量約為太陽的 100 至 300 倍，溫度也高 15 倍以上。需要更多的觀察才能弄清楚它是什麼，但是任何一個都對早期宇宙的條件有影響。

“這兩種可能性都會刺激創新，”特倫蒂說。 “我預計理論家將在繪圖板上開發宇宙黎明期間星系和黑洞演化的新模型，而觀察者肯定會嘗試發現更多類似的星係來解決這個難題。”