天文学家发现韦伯数据与再电离模型相冲突

再电离是一个关键时期，第一批恒星和星系改变了周围环境的物理结构，最终改变了整个宇宙。既定理论表明，这个时代在大爆炸后约 10 亿年结束。然而，如果使用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的观测来计算这一里程碑，再电离将比预期早至少 3.5 亿年结束。这是根据一篇新论文发表在皇家天文学会月度通知：信件。

纵观其历史，宇宙经历了几次重大变化。在大爆炸后的前 38 万年里，它是由质子和电子组成的炽热、致密的等离子体。最终，物体冷却到足以使质子和电子结合并形成中性氢原子。然后，在大爆炸后大约一亿年，第一批恒星和星系开始形成，迎来了再电离时代。

那些它们巨大而炽热——有些预测其质量是太阳的 30 到 300 倍——并且它们以极紫外光的形式释放出大量能量。这种能量如此强烈，以至于当它撞击附近的氢原子时，它会在称为电离的过程中将它们分裂成质子和电子。几亿年后，当宇宙中几乎所有的氢都被电离时，再电离时代结束了。

考虑到大约 75% 的物质是氢，这代表着巨大的转变。 “这是最后发生的重大变化，”德克萨斯大学奥斯汀分校天文学助理教授、该论文的主要作者朱利安·穆尼奥斯（Julian Muñoz）解释道。 “你从中性、冷、无聊变成了电离、热。这不仅仅是发生在一两个星系的事情。它发生在整个宇宙。”

德克萨斯大学奥斯汀分校天文学助理教授、该论文的合著者约翰·奇泽姆补充道：“这个过程加热并电离了宇宙中的气体，从而调节了星系生长和演化的速度。” “这些建立了宇宙中星系的整体结构。”

由于天文学家无法直接观察再电离过程，因此他们必须使用模型来预测其结束时间。这些模型基于间接证据，包括测量大爆炸余辉（称为宇宙微波背景）到达我们的光量。

其他证据是早期丰富的与氢能量变化相关的波长，称为莱曼阿尔法森林。这两者都有助于天文学家计算在再电离过程中转变了多少氢，以及进一步需要多少能量来实现这一点。

“这是一个会计游戏，”穆尼奥斯说。 “我们知道，所有氢在再电离之前都是中性的。从那里，你需要足够的极紫外线来分裂每个原子。所以，在一天结束时，你可以通过数学计算出再电离何时结束。”

现在，詹姆斯·韦伯太空望远镜正在挑战既定模型。有了它，天文学家可以比以往任何时候都更深入地观察宇宙，深入到这个关键时代。这导致了早期宇宙中许多意想不到的观测结果——其中之一是发射极紫外线的星系比预期的要多。 “JWST 揭示了明亮的星系足以使宇宙自身电离，”奇泽姆说。 “这与许多人的预期相反。”

因此，有了这些新的观察结果，会计工作现在就结束了。穆尼奥斯解释说：“如果你盲目相信詹姆斯·韦伯，它会告诉你，再电离在大爆炸后 5.5 亿至 6.5 亿年结束，而不是目前估计的 10 亿年。” “如果这是真的，宇宙微波背景看起来会有所不同，莱曼阿尔法森林也会看起来有所不同。所以，存在一种紧张气氛。”

换句话说，再电离不太可能比预测早数亿年发生。那么，这是怎么回事？一种解释可能是已建立的模型缺少一些关键信息。例如，有时电离的质子和电子会重新聚集在一起重新形成中性氢原子。这个过程称为重组。如果这种情况发生的频率比当前模型假设的要多，那么电离整个宇宙所需的极紫外光可能会增加。

“我们需要更详细、更深入的观察，以及更好地了解重组过程，”穆尼奥斯说。“解决再电离方面的紧张局势是最终了解这一关键时期的关键一步。我很高兴看到未来几年会发生什么。”

其他研究作者包括 NASA 喷气推进实验室和加州理工学院的 Jordan Mirocha； Steven Furlanetto，加州大学洛杉矶分校；和哥本哈根大学的夏洛特·梅森。