韦伯探索宇宙黎明：见证第一批以冷气体为食的星系

丹麦的一个研究小组在研究詹姆斯-韦伯太空望远镜的档案数据时，最近发现了三个遥远的星系，当宇宙只有几亿年历史时，它们正在聚集气体。对它们的探测和特征描述是一项了不起的成就，目前只有韦伯望远镜能够做到这一点，这要归功于它在红外光方面的专长。这些数据首次表明，这些早期星系周围存在着大量的气体库。这些气体最终会落入星系中，促进新恒星的形成，经过数百万年的时间，最终形成充满恒星的高度结构化星系。

这幅插图显示了一个在宇宙大爆炸后几亿年才形成的星系，在重离子时代，气体是透明和不透明的混合体。来自美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的数据显示，这些早期星系附近存在大量冷的中性气体--而且这些气体的密度可能比预期的要高。

韦伯望远镜在2022年开始观测几个月后，作为其宇宙演化早期释放科学（CEERS）调查的一部分观测到了这些星系。CEERS包括图像和来自其NIRSpec（近红外摄谱仪）上微型遮光器的光谱数据。作为韦伯早期发布科学（ERS）计划的一部分，CEERS的数据被立即发布，以支持类似的发现。

资料来源：NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted（STScI）

只有詹姆斯-韦伯太空望远镜才能探测和研究这些星系，当宇宙只有几亿年历史时，这些星系就在稠密、不透明的气体中形成了。

虽然我们并不清楚第一批恒星开始闪耀的确切时间，但我们知道它们一定是在氢原子和氦原子形成的重组时代（宇宙大爆炸后 38 万年）之后的某个时间，也就是在已知最古老的星系出现之前（宇宙大爆炸后 4 亿年）形成的。第一批恒星发出的紫外线将充满宇宙的中性氢气分解成氢离子和自由电子，开启了重电离时代，结束了宇宙的黑暗时代。资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI

研究人员通过分析美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜（NASA's James Webb Space Telescope）的数据，确定了三个星系的位置，它们可能正在积极形成，当时宇宙的年龄只有4亿到6亿年。韦伯的数据显示，这些星系被气体包围，研究人员怀疑这些气体几乎纯粹是氢和氦，它们是宇宙中最早存在的元素。韦伯望远镜的仪器非常灵敏，因此能够探测到这些星系周围异常密集的气体。这些气体最终很可能会为星系中新恒星的形成提供燃料。

"这些星系就像是在一片原本中性、不透明的气体海洋中闪闪发光的岛屿，"第一作者、丹麦哥本哈根大学宇宙黎明中心（DAWN）天体物理学助理教授卡斯帕-海因茨（Kasper Heintz）解释说。"如果没有韦伯望远镜，我们就无法观测到这些非常早期的星系，更不用说了解它们的形成过程了。"

"我们正在摒弃将星系视为孤立生态系统的看法。在宇宙历史的这一阶段，星系都与星系间介质及其原始气体细丝和结构紧密相连，"合著者、同时也是破晓天文台的博士生西蒙娜-尼尔森（Simone Nielsen）补充说。

130 多亿年前，在重离子时代，宇宙是一个非常不同的地方。星系之间的气体在很大程度上对高能光不透明，因此很难观测到年轻的星系。随着恒星和年轻星系的不断形成和演化，它们开始改变周围的气体。经过数亿年的时间，气体从中性、不透明的气体转变为电离、透明的气体。资料来源：NASA、ESA、CSA、Joyce Kang（STScI）

在韦伯望远镜的图像中，这些星系看起来就像模糊的红色污点，因此额外的数据（即光谱）对研究小组的结论至关重要。这些光谱显示，这些星系发出的光被大量中性氢气吸收。合著者之一、破晓天文台教授达拉赫-沃森（Darach Watson）说："这些气体一定非常广泛，覆盖了星系的很大一部分。这表明我们看到的是中性氢气体聚集成星系的过程。这些气体将继续冷却、凝结，并形成新的恒星。"

宇宙大爆炸后的几亿年，也就是所谓的"重离子时代"（Era of Reionization），当时的宇宙与现在截然不同。(恒星和星系之间的气体在很大程度上是不透明的。整个宇宙的气体直到宇宙大爆炸后 10 亿年左右才变得完全透明。星系中的恒星对其周围的气体进行加热和电离，使气体最终变得完全透明。）

通过将韦伯的数据与恒星形成模型相匹配，研究人员还发现这些星系主要拥有年轻恒星群。"沃森补充说："我们看到大量气体储层的事实也表明，这些星系还没有足够的时间形成大部分恒星。

韦伯不仅实现了推动其开发和发射的任务目标，而且还超越了这些目标。"这些遥远星系的图像和数据在韦伯之前是不可能获得的，"合著者、破晓天文台副教授加布里埃尔-布拉莫尔（Gabriel Brammer）解释说。"另外，当我们第一次瞥见这些数据时，我们对将要发现的东西已经有了很好的感觉--我们几乎是靠眼睛来发现的"。

还有许多问题需要解决。这些气体具体在哪里？有多少位于星系中心附近，或者星系外围？这些气体是原始的，还是已经充满了更重的元素？未来还有大量研究工作要做。"海因茨说："下一步是建立大型星系统计样本，详细量化星系特征的普遍性和显著性。

深深地凝视这幅广阔的图景。它是由詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）用近红外线拍摄的多幅图像拼接而成的--它实际上是在活动着。图片来源：NASA、ESA、CSA、Steve Finkelstein（UT Austin）、Micaela Bagley（UT Austin）、Rebecca Larson（UT Austin）、Alyssa Pagan（STScI）

研究人员的发现得益于韦伯望远镜的宇宙演化早期发布科学（CEERS）调查，其中包括来自望远镜近红外摄谱仪（NIRSpec）的遥远星系的光谱，并作为韦伯早期发布科学（ERS）计划的一部分立即发布，以支持类似的发现。

这项研究成果发表在 2024 年 5 月 24 日出版的《科学》杂志上。

编译来源：ScitechDaily