韦伯望远镜观测到星系神秘驱散早期宇宙的迷雾

利用美国国家航空航天局（NASA）/欧洲航天局（ESA）/加拿大航天局（CSA）詹姆斯·韦布空间望远镜独特的红外敏感度，研究人员能够观测古老星系，探索早期宇宙的奥秘。如今，一个国际天文学家团队在宇宙历史中一个出乎意料的早期阶段，发现了一个星系发出的明亮氢发射线。这一出乎意料的发现，促使研究人员去解释，这种光如何能穿透当时弥漫在太空中的浓厚中性氢雾。

美国国家航空航天局（NASA）/欧洲航天局（ESA）/加拿大航天局（CSA）詹姆斯·韦布空间望远镜的一个关键科学目标，是比以往任何时候都更深入地观测宇宙遥远的过去，即宇宙大爆炸后首批星系正在形成的时期。在诸如韦布空间望远镜高级深河外星系巡天（JADES）等观测项目中，这一探索已发现了创纪录的星系。韦布对红外光的非凡敏感度，也为研究此类星系何时以及如何形成，及其在宇宙黎明时期对宇宙的影响，开辟了全新的研究途径。研究这些极早期星系之一的研究人员，如今在其光谱中有所发现，这挑战了我们对宇宙早期历史已有的认知。

韦布在作为JADES项目一部分，由韦布近红外相机（NIRCam）拍摄的图像中，发现了极为遥远的星系JADES – GS – z13 – 1，观测显示其处于宇宙大爆炸后仅3.3亿年。研究人员利用该星系在不同红外滤镜下的亮度，来估计其红移，红移基于星系光线在穿越膨胀空间过程中的拉伸程度，测量星系与地球的距离。

NIRCam成像初步估计其红移为12.9。为确认其极高的红移，由英国剑桥大学的乔里斯·维茨托克（Joris Witstok）以及丹麦宇宙黎明中心和哥本哈根大学领导的一个国际团队，随后使用韦布的近红外光谱仪（NIRSpec）对该星系进行观测。在得到的光谱中，红移被确认为13.0。这相当于观测到宇宙大爆炸后仅3.3亿年的星系，只是宇宙当前138亿年年龄的一小部分。但一个意外特征也很突出：一个特定、明显明亮的光波长，被确认为是氢原子辐射出的莱曼 – α发射线。这种发射强度远超天文学家认为在宇宙发展这一早期阶段可能达到的程度。

“早期宇宙沐浴在浓厚的中性氢雾中，”来自剑桥大学和伦敦大学学院的团队成员罗伯托·马约利诺（Roberto Maiolino）解释道，“在一个称为再电离的过程中，大部分这种阴霾得以消散，该过程在宇宙大爆炸后约10亿年完成。GS – z13 – 1被观测到的时候，宇宙仅有3.3亿年历史，但它却显示出令人惊讶的清晰、标志性的莱曼 – α发射线特征，而这只有在周围的雾完全消散后才能看到。这一结果完全出乎早期星系形成理论的预料，令天文学家大为惊讶。”

在再电离时期之前及期间，星系周围大量的中性氢雾阻挡了它们发出的任何高能紫外线，就如同有色玻璃的过滤效果。直到有足够多的恒星形成并能够电离氢气，包括莱曼 – α发射线在内的此类光线，才能从这些新生星系逃逸并到达地球。因此，确认来自这个星系的莱曼 – α辐射，对我们理解早期宇宙具有重大意义。

团队成员、美国亚利桑那大学的凯文·海因莱因（Kevin Hainline）表示：“鉴于我们对宇宙演化方式的理解，我们真的不应该发现这样一个星系。我们可以把早期宇宙想象成被浓雾笼罩，即使是强大的灯塔透过雾窥视也极难发现，然而我们却看到来自这个星系的光束穿透了这层面纱。这条引人入胜的发射线，对宇宙何时以及如何再电离具有重大影响。”

这个星系莱曼 – α辐射的来源尚不清楚，但可能包括宇宙中最早形成的恒星发出的首批光线。乔里斯详细阐述道：“这个星系周围的巨大电离氢气泡，可能是由一群特殊的恒星形成的——比后期形成的恒星质量大得多、温度更高且更明亮，并且可能代表了第一代恒星。”该团队确定的另一种可能性是，由首批超大质量黑洞之一驱动的强大活动星系核（AGN）。

若没有韦布令人惊叹的近红外敏感度，就无法获得这些新结果，这不仅对于发现如此遥远的星系，而且对于详细研究它们的光谱都是必要的。丹麦宇宙黎明中心和哥本哈根大学的前NIRSpec项目科学家彼得·雅各布森（Peter Jakobsen）回忆道：“紧跟哈勃空间望远镜的脚步，很明显韦布将有能力发现越来越遥远的星系。然而，正如GS – z13 – 1的情况所表明的，它可能揭示的关于在宇宙时间边缘形成的新生恒星和黑洞本质的信息，总是会带来惊喜。”

该团队计划对GS – z13 – 1进行进一步的后续观测，旨在获取更多关于这个星系本质及其强烈莱曼 – α辐射起源的信息。无论这个星系隐藏着什么，它肯定会照亮宇宙学的一个新前沿。