Nature新文：绿豌豆星系立大功

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翻译：张瀚之

校对：牧夫校对组

编排：陈宏宇

后台：朱宸宇

引用文章：DOI 10.3847/2041-8213/acaaaf

内容摘要：JWST has spotted three tiny, distant galaxies that could solve a long-standing cosmic mystery.

JWST（詹姆斯·韦布空间望远镜）帮助天文学家从附近的宇宙中发现了与“绿豌豆”星系相似的遥远星系（上图，由斯隆数字巡天局拍摄）。图源: SDSS and NASA, ESA, CSA, and STScI

近期，天文学家们使用JWST（詹姆斯·韦布空间望远镜）发现了三个微小的星系，它们可能曾助力引发了宇宙史上最伟大的“重塑”之一。

这一发现在华盛顿州西雅图举行的美国天文学会（AAS）会议上发表。它可以解释再电离现象（在大爆炸宇宙学的黑暗期之后，辐射将笼罩在宇宙上空的氢原子雾撕开，使恒星和星系首次可见）。

宇宙“大停电”

大爆炸后不久，宇宙非常明亮。余热极其强烈以至于电子无法与质子结合形成原子。那时的宇宙是一个沸腾的等离子体，一种由带电（或电离）粒子组成的密集发光气体。它散射光，就像荧光灯泡儿一样。

大约38万年后，不断膨胀的宇宙已经冷却，氢原子足以形成。其中，一些原子合并成了第一批恒星和星系。但周围的氢气层吸收了第一批恒星和星系的光，就像大雾天气时浓雾阻挡汽车的前灯一样。

最终，宇宙黑暗时代结束后，高能的辐射再次导致了星系间氢原子的分裂，使它们重新变成的单独的质子和电子，这一过程称为再电离（reionization）。但使星系间的所有物质电离都需要大量能量，天文学家对这一驱动力确切何为争论已久。它有可能来自最早星系的星光，又或是由超大质量黑洞将物质拉向它们并使其升温时引起的...

美国弗吉尼亚大学夏洛茨维尔分校的天文学家Trinh Thuan说：“目前一个最重大的宇宙学问题之一是，再电离的原因到底是什么？”。

银河“绿豌豆”

2022年7月11日，JWST（詹姆斯·韦布空间望远镜）发射约六个月后，JWST发布了第一张，也是迄今为止最深、最清晰的宇宙图像。这张图像以一个名为SMACS 0723的星系团为中心，包含了数千个比以前看到的都要暗淡的星系。因为JWST分析红外光，所以捕捉到了SMACS 0723；随着宇宙的膨胀，其最遥远的星系似乎从电磁光谱的可见部分转移到了红外。在SMACS 0723图像中的数千个星系中，研究人员决定对三个看起来尤其遥远的星系进行后续光谱观测。

绿豌豆星系的发射光谱与JWST发现的早期宇宙星系相似。图源: NASA’s Goddard Space Flight Center/Rhoads et al. 2023

但当NASA戈达德航天中心(GSFC)的天文学家James Rhoads和他的同事们第一次看到这三个星系的光谱时，他们意识到这些星系看起来并不像是遥远的星系，而像是通常能在附近发现的天体。事实上，它们与绿豌豆星系有着惊人的相似之处。（绿豌豆星系是指业余天文学家发现的一批微型星系，是由“银河动物园”的公民科学项目2009年首次发现的奇怪现象）

绿豌豆星系因其颜色和大小而得名：它们只有银河系大小的5%，质量的1%。但千万不要轻视它们的小尺寸：和类似质量的星系相比，它们以几近惊人的速度（天文学家预期的100倍）疯狂制造着恒星。它们似乎也含有相对较少的重金属。它们的绿豌豆色调来自新生恒星加热的电离氧（一种相对较轻元素）的发光。

绿豌豆星系成功的吸引到了天文学家们。尽管它们只在附近的宇宙中被观测到过，但它们的性质与早期星系的性质十分相似。比如，第一批星系被认为只含有轻元素，因为重金属需要长时间才能形成。戈达德航天中心的天文学家Sangeeta Malhotra在1月12日的AAS会议上开玩笑称它们是“彼得·潘星系”，因为它们还没有成熟。

来自宇宙早期的幽灵?

这也是为什么Rhoads和Malhotra 对JWST分析的三个星系的光谱感到兴奋的原因——这些星系来自早期宇宙，但与附近的绿豌豆星系相似。Rhoads告诉Nature杂志：“我们一看到它们就知道，它们看起来像绿豌豆的光谱！”。

像绿豌豆一样，这三个星系的体积小，发射光谱强，这意味着它们也能快速产生恒星。除此之外，它们的元素也比氢和氦重。这三个星系中最遥远的一个包含的氧气大约是银河系含氧量的2%。这可能是目前为止银河系中所有我们见过星系中，有最低氧含量的星系。

Thuan 说，他看到JWST拍摄的这些星系光谱与他长期研究的绿豌豆星系光谱之间的相似性时，简直太惊喜了！

毫无疑问，它们是同一类型的星系。在JWST之前，瑞士日内瓦大学的天文学家Daniel Schaerer说，研究人员曾测量过大爆炸后100亿年的绿豌豆星系。“但突然之间，我们现在就可以对大爆炸发生7亿年之后的情况进行测量，这简直太令人难以置信了。”

这项研究中，另一个令人兴奋的原因可以追溯到2016年，当时包括Thuan在内的天文学家就报告说，一颗绿豌豆星系经常将大量电离光子送入星系际介质（IGM）。在附近的宇宙中观测到的大多数星系都不这样。在这样的条件下，如此小的体积内有如此多的恒星，绿豌豆星系很有可能能够穿透星系际介质，为高能辐射创造一条逃逸路径。

这可能意味着像来自早期宇宙中的JWST观测的三个星系来说，类似物体也许就是产生了将宇宙黑暗时代终结所需的驱动力源头。对Thuan来说，这种猜测是非常有可能的。“现在我十分有信心，这些恒星形成的矮星系就是再电离的媒介，”。

看到这里，你是不是再次燃起了去银河动物园Galaxy zoo网站上寻找绿豌豆星系的兴趣。图源: Richard Nowell and the Sloan Digital Sky Survey

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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色彩增强的月球

月亮实际上看起来并不是这副模样。在自然情况下，地球的卫星没有如此丰富的纹理，而且颜色差异也不易察觉。但这张数字照片的创作是有事实根据的，它由多张图片组合而成，并且经过强化以突显真实的表面特征。举例来说，这些强化更清楚地呈现了撞击坑，它们见证了月球在46亿年的历史中受到的重轰击。名为月海的暗区曾是熔融的岩浆海，撞击坑的数量也较少。此外，这张图片的色彩虽然基于真实的组成，但颜色经过置换及夸大，蓝色系显示该些区域富含铁，橙色则代表铝含量高于平均值。尽管数十亿年来月球一直以同一面朝向地球，但现代技术已经能让人类更深入地了解它，以及它对地球的影响。

图片来源与版权：Darya Kawa Mirza

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