韦伯发现古老星系突破宇宙原始迷雾

天文学家发现了宇宙从雾蒙蒙的、不透明的状态转变为透明状态的早期证据，这要归功于近 136 亿年前一个星系发出的紫外线。宇宙中的第一批星系诞生时隐藏在一层厚厚的中性气体“雾”中，很难被观测到。直到星系本身开始电离周围的气体，这团雾才散去。

现在，来自哥本哈根宇宙黎明中心的天文学家团队利用詹姆斯韦伯太空望远镜探测到了这种剧烈转变的最早迹象。他们观察到一个存在于大爆炸后仅 3.3 亿年的星系，它被一个透明的电离气体气泡包围着——这证明宇宙从不透明到透明的转变比之前认为的要早。这一发现发表在《自然》杂志上。

大爆炸几亿年后，第一批恒星和星系开始形成，由大量气体云凝结而成。确切时间仍在积极研究中，但天文学家已经发现了可追溯到宇宙起源后不到 3 亿年的星系。

这些早期星系之一现在为年轻宇宙的演化方式提供了新的见解。

这是已知最遥远星系之一的近景：左侧是詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到的 10，000 个不同距离的星系。右侧的放大图显示星系 JADES-GS-z13-1，中间有一个红点。它发出的光是在宇宙大爆炸后 3.3 亿年发出的，传播了近 135 亿年才到达韦伯的金色镜子。图片来源：NASA、ESA、CSA、Brant Robertson（加州大学圣克鲁斯分校）、Ben Johnson（CfA）、Sandro Tacchella（剑桥）、Phill Cargile（CfA）、Joris Witstok（剑桥大学、哥本哈根大学）、P. Jakobsen（哥本哈根大学）、Alyssa Pagan（STScI）、Mahdi Zamani（ESA/韦伯）、JADES 合作组织

探测第一个星系并不容易，主要是因为它们是由气体形成的。

新生星系发出的大部分光都处于高能紫外线 (UV) 范围内。然而，在宇宙最初的 5 亿年里，星系周围和星系间空间的大部分气体都是中性的，这意味着它们还没有被星光电离。中性气体对紫外线的吸收效率很高，因此这些星系发出的最亮的光被阻挡了。

因此，这个早期星系在紫外线波长下几乎看不见，隐藏在浓厚的宇宙雾后面。

通过七种不同的滤光片观察星系 JADES-GS-z13-1，这些滤光片仅透射部分电磁波谱。越往左边，光线越紫外。虽然在右侧四张较长波长的图像中可以清楚地看到星系，但在左侧最短波长的图像中却完全看不见星系。请注意，颜色是“假的”；图像仅显示光线出现的位置。来源：Witstok 等人 (2025)

当紫外线从第一批光源发射出来时，它开始慢慢改变宇宙。隐藏星系的中性原子被紫外线分裂，最终使宇宙变得透明。

这个过程被称为再电离时代，它的具体情况是天文学家深入研究的课题：它何时开始、持续了多长时间、如何进行以及是哪些因素造成的？

直到最近，人们的共识是，再电离直到宇宙诞生约 5 亿年后才开始，并再过 5 亿年后完成。

但这一观点现在受到了一项新研究的挑战，该研究由尼尔斯玻尔研究所和丹麦技术大学太空系的宇宙黎明中心 (DAWN) 的天文学家领导。研究人员对最遥远的星系之一进行了调查，发现了再电离的明显迹象，其开始时间比迄今为止认为的要早得多。

领导这项研究的 DAWN 博士后 Joris Witstok 解释道：

“年轻星系发出的光在特定波长下最为明亮，这种光源自氢。天文学家将这种光命名为‘莱曼阿尔法’，因为它的紫外线波长较短，很容易被周围介质吸收，因此在宇宙诞生不到 5 亿年时，没有一个星系向我们展示过这种特殊的光。”

维斯托克和他的团队发现，其中一个最遥远的星系，被称为 JADES-GS-z13-1，正发出明亮的莱曼阿尔法光。

但是莱曼阿尔法如何才能逃离被致密中性气体笼罩的星系呢？

“从我们的理论和计算机模拟以及后期的观测中，我们知道来自星系的最强紫外线会‘炸毁’周围的中性气体，在它们周围形成电离透明气泡，”Witstok 详细阐述道。“这些气泡渗透到宇宙中，大约十亿年后，它们最终重叠，完成了再电离时代。我们相信我们已经发现了第一个这样的气泡。”

换句话说，莱曼阿尔法光的探测是电离气泡的明显特征，因为否则它将无法逃逸。

如果没有詹姆斯韦伯望远镜的灵敏度及其逐波长探索星系光的能力，这些观测是不可能实现的。

“我们在建造韦伯望远镜时就知道，我们会发现一些最遥远的星系，”DAWN 附属教授、詹姆斯·韦伯光谱仪 NIRSpec 的项目科学家、这项研究的第二作者彼得·雅各布森 (Peter Jakobsen) 说道。“但我们只能梦想有一天能够如此详细地探测它们，以至于我们现在可以直接看到它们如何影响整个宇宙。”

问题仍然是电离气泡的确切成因。尽管人们认为第一批恒星非常热，紫外线极其明亮，但还有另一种可能性：

“已知大多数星系的中心都有一个超大质量黑洞。当这些庞然大物吞噬周围的气体时，气体会被加热到数百万度，使其在永远消失之前在 X 射线和紫外线下发出明亮的光芒。这是气泡的另一个可能原因，我们现在将对此进行调查，”Witstok 总结道。

编译自/ScitechDaily