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，早期宇宙黎明时自由飞行的光子起源于小型矮星系，这些星系突然爆发，清除了充满星系际空间的黑暗氢雾。一个新纸有关该研究的内容于二月份发表。
“这一发现揭示了超微弱星系在早期宇宙演化中所发挥的关键作用，”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。它强调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，几分钟之内，空间充满了炽热、浓密的电离等离子体雾。即使再微弱的光线也无法穿透这片雾气；光子只会从周围漂浮的自由电子中散射出来，从而有效地使宇宙变得黑暗。
大约 30 万年后，随着宇宙冷却，质子和电子开始聚集形成中性氢（和少量氦）气体。大多数波长的光都可以穿透这种中性介质，但产生它的光源却很少。但从这些氢和氦中，第一批恒星诞生了。
这些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，此时宇宙已经膨胀得如此之大，以至于气体已经扩散，无法阻止光线的照射。到大爆炸后约 10 亿年，也就是所谓的宇宙黎明时期结束时，宇宙已完全重新电离。哒哒！灯亮了。
但由于宇宙黎明中有如此多的黑暗，而且由于它在时间和空间上如此昏暗和遥远，我们很难看到那里有什么。科学家们认为，造成大部分清理的来源一定是强大的——巨大的例如，其吸积会产生炽热的光，而处于恒星形成过程中的大型星系（婴儿恒星会产生大量的紫外线）。
詹姆斯韦伯太空望远镜的设计部分目的是为了窥视宇宙黎明并试图看看其中潜藏着什么。它非常成功，揭示了宇宙形成这一关键时刻的各种惊喜。令人惊讶的是，望远镜的观测现在表明矮星系是再电离的关键参与者。
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) 领导的一个国际团队利用了名为阿贝尔 2744 的星系团的 JWST 数据，并得到了哈勃望远镜数据的支持。 Abell 2744 的密度如此之大，以致于它周围的时空扭曲，形成了一个宇宙透镜；任何通过时空传播到我们的遥远光线都会被放大。这使得研究人员能够看到接近宇宙黎明的微小矮星系。
然后，他们使用 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，矮星系的数量比大型星系的数量多出 100 比 1，而且它们的集体输出是通常假设的大型星系的电离辐射的四倍。
“这些宇宙动力源共同发出的能量足以完成任务，”阿泰克说。 “尽管它们体积很小，但这些低质量星系却是高能辐射的多产者，并且它们在此期间的丰度如此之大，以至于它们的集体影响力可以改变宇宙的整个状态。”
这是迄今为止再电离背后力量的最佳证据，但还有更多工作要做。研究人员观察了一小片天空；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银河种群样本。但仅就这一个样本而言，结果就非常令人兴奋。自从我们了解再电离以来，科学家们就一直在寻找有关它的答案。我们正处于最终驱散迷雾的边缘。
“我们现在已经通过 JWST 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博士。
“这项工作提出了更多令人兴奋的问题，我们需要回答这些问题，以绘制我们起源的进化历史。”
该研究发表于自然。
本文的一个版本最初发布于 2024 年 3 月。
