我们终于知道是什么给早期宇宙的黑暗和无形的虚空带来了光明。
根据哈勃和詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据，宇宙黎明早期自由飞行的光子起源于小型矮星系，它们爆发出生命，驱散了充满星系际空间的浑浊氢雾。新文章有关该项研究的报道已于二月发表。
“这一发现揭示了超暗星系在早期宇宙演化中所起的关键作用。”天体物理学家 Iryna Chemerynska 说道巴黎天体物理研究所的教授。
“它们产生电离光子，在宇宙再电离过程中将中性氢转化为电离等离子体。它凸显了了解低质量星系在塑造宇宙历史方面的重要性。”
在宇宙诞生之初，宇宙中充满了热而浓密的电离等离子体雾。微弱的光线无法穿透这团雾；光子会从四处漂浮的自由电子中散射出来，从而使宇宙变得黑暗。
随着宇宙冷却，大约 30 万年后，质子和电子开始聚集形成中性氢（和少量氦）气体。大多数波长的光可以穿透这种中性介质，但几乎没有光源可以产生这种气体。但从这种氢和氦中，第一批恒星诞生了。
第一批恒星发出的辐射强度足以将电子从原子核中剥离，并使气体重新电离。然而，到那时，宇宙已经膨胀到如此程度，以至于气体弥散，无法阻止光线照射出来。在大爆炸后约 10 亿年，即宇宙黎明时期的结束，宇宙完全重新电离。大功告成！灯亮了。
但是，由于宇宙黎明中存在太多黑暗，而且它又如此昏暗，又如此遥远，我们很难看清那里有什么。科学家认为，造成大部分清除的来源一定是强大的——巨大的例如，其吸积会产生耀眼的光，而大型星系则处于恒星形成的阵痛中（婴儿恒星会产生大量紫外线）。
JWST 的设计目的之一就是窥视宇宙的黎明，并试图发现其中隐藏着什么。它非常成功，揭示了宇宙形成这一关键时期的各种惊喜。令人惊讶的是，该望远镜的观测结果现在表明矮星系是再电离的关键因素。
由巴黎天体物理研究所的天体物理学家哈基姆·阿泰克 (Hakim Atek) 领导的国际团队利用詹姆斯·韦伯太空望远镜对一个名为 Abell 2744 的星系团的数据进行研究，这些数据得到了哈勃望远镜数据的支持。Abell 2744 非常致密，以至于时空会围绕它扭曲，形成一个宇宙透镜；任何穿过时空向我们传播的遥远光线都会被放大。这使得研究人员能够看到靠近宇宙黎明的微小矮星系。
然后，他们利用 JWST 获得了这些微小星系的详细光谱。他们的分析表明，这些矮星系不仅是早期宇宙中最丰富的星系类型，而且它们比预期的要亮得多。事实上，该团队的研究表明，矮星系的数量是大型星系的 100 倍，它们的集体输出是通常假设的较大星系的四倍。
“这些宇宙能量源共同释放的能量足以完成这项工作。”Atek 说“尽管这些低质量星系体积很小，但它们却是高能辐射的丰富生产者，它们在这一时期的丰度如此之大，以至于它们的集体影响可以改变整个宇宙的状态。”
这是迄今为止关于再电离背后力量的最佳证据，但还有更多工作要做。研究人员观察了天空的一小块区域；他们需要确保他们的样本不仅仅是一个异常的矮星系团，而是宇宙黎明中整个星系群的代表性样本。
他们打算研究天空中更多的宇宙透镜区域，以获得更广泛的早期星系群样本。但就这一个样本而言，结果令人兴奋不已。自从我们了解再电离以来，科学家们一直在追寻答案。我们即将最终吹散迷雾。
“我们现在已通过詹姆斯·韦伯太空望远镜进入了未知领域。”天体物理学家 Themiya Nanayakkara 说道澳大利亚斯威本科技大学。
“这项研究提出了更多令人兴奋的问题，我们需要回答这些问题才能绘制出人类起源的进化历史。”
该研究已发表于自然。
本文版本最初于 2024 年 3 月发布。
