大爆炸后仅3亿年 星系中就出现了氧气

天文学家在迄今为止观测到的最遥远的星系 JADES-GS-z14-0 中发现了氧气，这颠覆了我们对大爆炸后星系形成速度的理解。这一发现表明，该星系的成熟速度远超预期，在宇宙诞生仅 3 亿年后，其化学成分就变得十分丰富。这一发现由ALMA望远镜完成，它还提供了极其精确的距离测量，并凸显了 ALMA 和 JWST 等工具如何彻底改变我们对早期宇宙的看法。

这幅图像显示了星系 JADES-GS-z14-0 在夜空中的精确位置，它是天炉座中一个非常小的点。截至今天，这是我们所知的最遥远的已确认星系。它的光花了 134 亿年才到达我们，显示了宇宙在只有 3 亿年历史时的状况。图片的插图显示了用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 看到的这个原始星系的特写。插图叠加在用 NASA/ESA/CSA 詹姆斯韦伯太空望远镜拍摄的图像上。来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Carniani 等人/S. Schouws 等/JWST：NASA、ESA、CSA、STScI、Brant Robertson（加州大学圣克鲁斯分校）、Ben Johnson（CfA）、Sandro Tacchella（剑桥）、Phill Cargile（CfA）

两个独立的天文学家团队在已知最遥远的星系 JADES-GS-z14-0 中发现了氧气。这项发现由两项独立研究报告，是由位于智利阿塔卡马沙漠的强大望远镜阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 ( ALMA ) 实现的，欧洲南方天文台 ( ESO ) 是其合作伙伴。这一破纪录的发现促使科学家重新思考星系在早期宇宙中形成的速度。

这是艺术家对 JADES-GS-z14-0 的印象图，它是迄今为止确认的最遥远的星系。早期宇宙中的星系往往是块状和不规则的。该星系中的超新星爆炸会扩散恒星内部形成的重元素，如氧气，目前已通过阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 探测到。图片来源：ESO/M. Kornmesser

JADES-GS-z14-0于 2024 年被发现，是迄今为止观测到的最遥远的已确认星系。它的光经过了 134 亿年才到达我们这里，这意味着我们看到的星系是宇宙诞生不到 3 亿年时的样子，只有现在年龄的 2% 左右。新的 ALMA 观测显示存在氧气，这表明该星系的化学发展程度远高于科学家对宇宙历史如此早期时期的预期。

天文学家利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 在迄今为止已知的最遥远星系 JADES-GS-z14-0 中探测到了氧气。这是迄今为止最早发现的氧气，非常有趣。星系是如何进化得如此之快，以至于如此早就富含氧气等重元素的？图片来源：ESO窥视婴儿宇宙

“这就像在原本以为是婴儿的地方发现了一个青少年，”荷兰莱顿天文台的博士生桑德·舒斯 (Sander Schouws) 说道。他是这项研究的第一作者，这项研究由荷兰人主导，现已被《天体物理学杂志》接受发表。“研究结果表明，该星系形成非常迅速，成熟也非常迅速，这进一步证明了星系的形成速度比预期的要快得多。”

图片中的插图显示了 JADES-GS-z14-0，这是目前已知的最遥远的星系，由阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 观测到。此处显示的两个光谱来自两个天文学家团队对 ALMA 数据的独立分析。两者都发现了氧气的发射线，这是在宇宙只有 3 亿年历史时最遥远的氧气探测。来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Carniani 等人/S. Schouws 等人/JWST：NASA、ESA、CSA、STScI、Brant Robertson（加州大学圣克鲁斯分校）、Ben Johnson（CfA）、Sandro Tacchella（剑桥大学）、Phill Cargile（CfA）

星系通常在生命伊始就充满了年轻的恒星，这些恒星主要由氢和氦等轻元素组成。随着恒星的演化，它们会产生氧等较重的元素，这些元素在它们死亡后会分散到宿主星系中。研究人员曾认为，宇宙已有 3 亿年历史，还太年轻，无法形成富含重元素的星系。然而，两项 ALMA 研究表明，JADES-GS-z14-0 的重元素含量比预期高出约 10 倍。

这位艺术家的动画展示了迄今为止确认的最遥远的星系 JADES-GS-z14-0。我们看到的这个星系是宇宙诞生不到 3 亿年时的样子，大约是现在年龄的 2%。人们认为这样的星系太年轻，不具备成熟的重元素，但两支天文学家团队发现氧气表明情况并非如此。相反，正如这个重现显示的那样，JADES-GS-z14-0 一定有多代恒星以超新星的形式诞生和死亡，产生并留下氧气等重元素。现在，得益于 ESO 及其国际合作伙伴运营的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 的极高灵敏度，这种元素已被检测到。图片来源：ESO/M. Kornmesser重新思考星系演化时间线

“我对这些意想不到的结果感到惊讶，因为它们为星系演化的最初阶段开辟了新的视角，”意大利比萨高等师范学院的 Stefano Carniani 说道，他是这篇现已被《天文学与天体物理学》接受发表的论文的主要作者。“星系在婴儿宇宙中已经成熟的证据引发了人们对星系何时以及如何形成的疑问。”

氧气的探测也使天文学家能够更准确地测量 JADES-GS-z14-0 的距离。“ALMA 的探测提供了对星系距离的极其精确的测量，不确定度仅为 0.005%。这种精度水平——相当于在 1 公里的距离内精确到 5 厘米——有助于完善我们对遥远星系特性的理解，”比萨高等师范学院博士生、天文学和天体物理学研究作者 Eleonora Parlanti 补充道。

数字化巡天 2 号的这幅广角图显示了 JADES-GS-z14-0 周围的天空区域，这是迄今为止已知的最远星系。该星系位于画面中央，但太暗，无法在这里看到。阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 的观测揭示了该星系中存在氧气——这是迄今为止最远的氧气探测。来源：ESO/数字化巡天 2 号。致谢：Davide De Martin

“虽然该星系最初是用詹姆斯·韦伯太空望远镜发现的，但需要 ALMA 来确认并精确确定其巨大的距离，”莱顿天文台团队成员 Rychard Bouwens 副教授说。“这显示了 ALMA 和 JWST 之间惊人的协同作用，揭示了第一批星系的形成和演化。”

欧洲南方天文台天文学家、欧洲 ALMA 区域中心的 Gergö Popping 并未参与这项研究，他表示：“JADES-GS-z14-0 中清晰地检测到氧气让我感到非常惊讶。这表明大爆炸后星系的形成速度比之前认为的要快得多。这一结果展示了 ALMA 在揭示宇宙中第一批星系形成条件方面发挥的重要作用。”

这段视频放大了星系 JADES-GS-z14-0，这是迄今为止确认的最遥远的星系。得益于由 ESO 及其国际合作伙伴运营的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 望远镜，天文学家在检查了其光谱后发现了一种令人惊讶的元素：氧气。氧气等重元素的存在表明这些早期星系的形成速度比我们想象的要快得多，其中必定有多代恒星的诞生和死亡。

编译自/scitechdaily