JWST观测到的最遥远星系中的氧究竟意味着什么？

当天文学家宣布在宇宙最遥远星系JADES-GS-z14-0中发现氧元素时，一些媒体将其描述为令人震惊的发现。但实际情况恰恰相反，如果在距离大爆炸仅2.85亿年的星系中没有发现氧，那才真正值得震惊。这个看似矛盾的说法背后，隐藏着天文学家对早期宇宙演化的深刻理解。

这张放大后的星系 JADES-GS-z14-0 的图像（背景图像由 JWST 拍摄，插图由 ALMA 拍摄）展示了这个早期星系中氧的存在：它是目前人类已知的第二遥远的星系。

图片来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S。卡尼亚尼等人/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）

JADES-GS-z14-0是詹姆斯·韦伯太空望远镜在2024年确认的最遥远星系之一，其光线经过134亿年才到达地球。2024年底，阿塔卡马大型毫米波亚毫米波阵列在这个星系的光谱中明确探测到氧的发射线。这标志着人类在宇宙中探测到的最早氧元素，也是JWST凭借其卓越的红外观测能力取得的又一项技术成就。

但氧的存在本身并不令人意外。宇宙大爆炸后的最初几分钟，核合成过程只产生了氢、氦和微量的锂。碳、氧、铁等重元素必须在恒星内部通过核聚变产生,然后通过超新星爆发散布到星际空间。这个过程需要时间,但并不需要太长时间。质量最大的恒星寿命可能只有几百万年,它们会迅速耗尽核燃料并发生超新星爆发,将新合成的重元素释放到周围环境中。

图片来源：NASA、ESA、CSA、Steve Finkelstein（德克萨斯大学奥斯汀分校）、Micaela Bagley（德克萨斯大学奥斯汀分校）、Rebecca Larson（德克萨斯大学奥斯汀分校）

这张图像展示了CEERS巡天区域的一部分，分别由詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）和近红外相机（NIRCam）拍摄。在这个视场中，有一个星系拥有一个活跃的超大质量黑洞：CEERS 1019。这个黑洞的质量相当于900万个太阳质量，它诞生于宇宙年龄不足6亿年的时候。它是迄今为止发现的最早的黑洞，直到2023年11月这一纪录再次被打破。

寻找不存在的纯净星系

天文学家真正想找的,是完全不含重元素的第一代星系。这些星系应该只包含大爆炸遗留下来的原初物质,恒星由纯粹的氢和氦组成,被称为第三星族恒星。理论预测这些恒星质量极大,可达太阳的数百倍,亮度极高但寿命极短,可能只有几百万年。它们会迅速燃烧殆尽并爆炸,在宇宙历史的最初阶段播撒第一批重元素。

图片来源：NASA/JWST 近红外相机仪器团队

初步估算了每个近红外相机（NIRCam）滤光片的总系统吞吐量，其中包括詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）光学望远镜元件（OTE）、NIRCam光学系统、二向色镜、滤光片以及探测器量子效率（QE）的贡献。吞吐量指的是光子到电子的转换效率。通过使用一系列波长远超哈勃极限（1.6至2.0微米）的JWST滤光片，JWST能够揭示哈勃望远镜完全无法观测到的细节。单张图像中使用的滤光片越多，能够揭示的细节和特征就越多。

问题在于,人类从未观测到这样的星系。JWST发现的所有早期星系,无论多么遥远,都显示出重元素存在的证据。一些星系含有大量尘埃,而尘埃的形成需要碳、硅、氧等元素。另一些星系显示出强烈的发射线,表明气体被高度电离,这通常与恒星或活跃黑洞的辐射有关。还有一些星系的光谱特征表明,其中的恒星已经经历了多代演化。

2024年的一项研究分析了宇宙早期约15亿年间的星系,发现大多数低金属丰度星系也缺乏尘埃,被称为GELDA星系。这些星系主导了早期宇宙,但即使是它们,金属丰度也不为零。另一项研究观察了星系RXJ2129-z8HeII,尽管其恒星光谱呈现出异常强烈的蓝移,但在高度富集的气体和恒星中,并未发现任何原始的第三星族恒星的确凿证据。

图片来源：D. Kocevski 等人，《天体物理学杂志快报》已接收/arXiv:2404.03576，2025 年

这张图展示了詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）在遥远宇宙中发现的341个“小红点”星系中的15个。这些星系都具有相似的特征，但它们只存在于宇宙历史的早期；目前尚未发现附近或晚期存在类似的星系。它们的质量都相当大，但有些结构紧凑，有些则较为疏松；有些显示出活动星系核（AGN）活动的迹象，而有些则没有。

宇宙演化的速度比许多人想象的要快得多。计算机模拟显示,第一批恒星可能在大爆炸后1到2亿年间就开始形成。这些恒星虽然寿命短暂,但它们产生的重元素会迅速混入周围气体,影响下一代恒星的形成。到大爆炸后2.5到3亿年,宇宙中可能已经经历了多代恒星的生死循环,重元素丰度已经显著提升。

技术突破与理论困境

图片来源：S. Carniani 等人。 （JADES 合作），arXiv:2405.18485, 2024

JADES-GS-z14-0（位于顶部插图框中）位于一个更近、更亮、更蓝的星系的后方（略偏右侧）。正是凭借詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）令人难以置信的高分辨率光谱仪，才能将这两个天体区分开来，从而确定这个破纪录的遥远天体的性质。它的光线来自宇宙仅有2.85亿至2.9亿年历史的时期，仅占宇宙当前年龄的2.1%。JADES-GS-z14-1（位于其下方）则来自宇宙约3亿年历史的时期。与现代的大型星系相比，所有早期星系都恒星稀少，形状不规则且轮廓模糊。

JADES-GS-z14-0中氧的探测之所以值得庆祝,不是因为氧的存在本身,而是因为技术能力的提升。在JWST之前,天文学家很难直接探测如此遥远星系中的特定元素。哈勃太空望远镜的波长范围主要集中在可见光和近红外,对于红移极高的早期星系,许多关键光谱特征都被红移到了哈勃无法观测的波段。

图片来源：F. Pacucci 等人，《天体物理学杂志快报》，2023 年

图中右下角的蓝色和红色虚线分别表示现代星系中黑洞和恒星的分布情况，而图中其他位置用彩色数据点表示的早期星系数据（来自詹姆斯·韦伯太空望远镜）则表明，早期星系与现代星系的分布关系存在显著差异。这对于超大质量黑洞的起源和形成具有重要意义。

JWST的近红外光谱仪能够捕捉到波长更长的光,使得原本在紫外或可见光波段的发射线可以被观测到。阿塔卡马大型毫米波亚毫米波阵列则工作在更长的毫米和亚毫米波段,对于探测冷分子气体和尘埃特别有效。两者的结合为研究早期星系的化学成分提供了前所未有的工具。

图片来源：X 射线：NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán；红外：NASA/ESA/CSA/STScI；图像处理：NASA/CXC/SAO/L。弗拉塔尔和K.阿坎德

在詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的阿贝尔2744星系团（潘多拉星系团）图像的背景中，发现了一个非常遥远的星系，它释放出大量的X射线，这与质量在1000万到1亿个太阳质量之间的黑洞相符。该星系本身的恒星质量也只有大约这个数值，这使得它成为揭示早期宇宙中黑洞与星系演化之间联系的第一个“缺失环节”。

但这种技术进步也带来了理论上的挑战。如果连宇宙最早期的星系都含有丰富的重元素,那么真正原始的第一代星系在哪里?有几种可能的解释。第一,这些原始星系可能确实存在,但太暗太小,即使JWST也无法探测到。第二,第一代恒星的寿命可能比理论预测的更短,它们在宇宙极早期就已经全部演化完毕。第三,宇宙中可能根本就没有完全纯净的区域,大爆炸后的物质分布本身就存在不均匀性。

图片来源：Nicolle Rager Fuller/NSF

一颗质量巨大的恒星在其整个生命周期中都会经历一系列变化，最终在核心耗尽核燃料时发生II型（核心坍缩型）超新星爆发。核聚变的最后阶段通常是硅燃烧，在超新星爆发前，核心会短暂地产生铁和类铁元素。质量最大的恒星发生核心坍缩型超新星爆发的速度最快，通常会形成黑洞；而质量较小的恒星则需要更长时间，最终只会形成中子星。

迄今为止发现的所有星系都存在于宇宙大爆炸后2.5亿年以上。2025年5月,天文学家宣布发现了新的最遥远星系MoM-z14,其光线来自宇宙仅2.82亿年历史的时期。但即使是这个星系,也显示出复杂的光谱特征,表明其中已经存在恒星演化产物。在我们能够观测到更早、更小、更暗的天体之前,完全无氧的第一批恒星和星系将永远难以捉摸。

所以当你听到在早期宇宙发现氧元素的新闻时,正确的反应不应该是惊讶,而应该是期待。期待有一天,JWST或它的继任者能够找到真正原始的星系,一个完全由氢和氦组成、不含任何重元素的星系。那才是真正令人震惊的发现。