天文学家在最遥远星系中发现氧元素，挑战星系演化理论

IT之家 3 月 21 日消息，天文学家在迄今为止观测到的最遥远星系中发现了氧元素，这是人类首次在如此遥远的距离上探测到氧的存在。这一发现不仅刷新了天文学的记录，更对现有的星系演化理论提出了新的挑战。

据IT之家了解，该星系被命名为 JADES-GS-z14-0，其形成于宇宙大爆炸后仅约 3 亿年。根据天文学理论，处于这一时期的星系通常处于“婴儿期”，其内部的重元素含量应该相对较少。然而，JADES-GS-z14-0 中的重元素含量却达到了预期的 10 倍，显示出该星系在宇宙早期就已经相当“成熟”，这对星系演化理论提出了挑战。

JADES-GS-z14-0 是由詹姆斯・韦布空间望远镜（JWST）在 2024 年发现的。其发出的光经过了约 134 亿年才抵达地球，相当于宇宙 138 亿年历史的 98%。而对该星系化学成分的精确分析则得益于阿塔卡马大型毫米波 / 亚毫米波阵列（ALMA）的观测。

“这就好比在一个本应只有婴儿的地方，却发现了青少年。”参与研究的莱顿天文台研究员桑德・舒夫斯表示，“这一结果表明，该星系不仅形成得非常迅速，而且成熟得也非常快，为星系形成速度远超预期的证据库增添了新的例证。”

JADES-GS-z14-0 是 JWST 高级深空系外星系调查（JADES）项目中发现的多个早期星系之一。该项目旨在深入研究宇宙早期的恒星、气体和黑洞在原始星系中的演化过程，为理解宇宙的起源和演化提供关键线索。

为何早期星系中会出现如此多的重元素？

要理解在像 JADES-GS-z14-0 这样的早期星系中发现大量重元素为何令人惊讶，我们需要了解宇宙早期的化学成分。当宇宙年龄仅为当前的 2% 时，科学家认为宇宙主要由氢（宇宙中最轻的元素）、少量氦以及极微量的重元素（天文学家将其称为“金属”）组成。因此，处于这一时期的恒星和星系本应是“金属匮乏”的。

随着第一批恒星死亡并发生超新星爆炸，它们在生命过程中形成的金属被分散到其宿主星系的气体云中，使这些气体云富含金属，进而形成了下一代富含金属的恒星。这意味着，星系越古老，其“成熟度”就越可以通过其所含金属的丰富程度来衡量。然而，JADES-GS-z14-0 在宇宙诞生仅 3 亿年时就已表现出“成熟”状态，这与理论预期不符。

“这一出乎意料的结果让我震惊，因为它为我们打开了一扇通往星系演化早期阶段的新窗口。”意大利比萨高等师范学校的团队成员斯特凡诺・卡尼亚尼表示，“一个星系在宇宙婴儿期就已经成熟的证据引发了关于星系何时以及如何形成的疑问。”

此外，氧元素在 JADES-GS-z14-0 中的发现还使得天文学家能够更精确地测量该星系与地球之间的距离。意大利比萨高等师范学校的团队成员埃莱奥诺拉・帕兰蒂表示：“ALMA 的探测为测量该星系的距离提供了极为精确的数值，误差仅为 0.005%。这种精度相当于在 1 公里的距离内精确到 5 厘米，有助于我们更准确地了解遥远星系的特性。”

虽然 JWST 发现了这一极为遥远的星系，但如果没有 ALMA 的协助，对其距离的精确测量将无法实现。“这充分展示了 ALMA 与 JWST 之间惊人的协同作用，它们共同揭示了首批星系的形成和演化过程。”莱顿天文台的天文学家、团队成员里查德・布恩斯说道。

欧洲 ALMA 区域中心的天文学家格格・波平并未参与此次研究，但他表示：“JADES-GS-z14-0 中氧元素的清晰探测让我感到非常惊讶。这表明星系在大爆炸后可能比之前认为的形成得更快。这一结果凸显了 ALMA 在揭示首批星系形成条件方面的重要作用。”

目前，该研究团队的成果已被《天体物理学杂志》接受发表。