詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示早期宇宙的恒星和星系如何形成

这幅来自美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的红外图像是为JWST高级深河外巡天计划(JADES)拍摄的。它显示了被称为南方的天空区域的一部分，这个区域已经被哈勃太空望远镜和其他天文台很好的研究过了。这里可以看到超过45，000个星系。鸣谢:美国航天局、欧空局、加空局、布兰特·罗伯逊(加州大学圣克鲁斯分校)、本·约翰逊(CfA)、桑德罗·塔切拉(剑桥)、玛西娅·里克(亚利桑那大学)、丹尼尔·艾森斯坦(CfA)。图像处理:艾丽莎·帕甘(STScI)

（神秘的地球uux.cn）据美国宇航局：成千上万的小星系散布在黑色背景上。有些是螺旋形，而有些是水滴形椭圆形。少数螺旋带蓝色，但大多数星系呈现黄色或红色。少数恒星显示出八点衍射尖峰。

天文学中最基本的问题是:最初的恒星和星系是如何形成的？美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜已经为这个问题提供了新的见解。韦伯科学生涯第一年中最大的项目之一是JWST高级深河外巡天，或JADES，它将花费大约32天的望远镜时间来发现和描述昏暗遥远的星系。虽然数据还在不断传来，JADES已经发现了数百个在宇宙不到6亿年前就存在的星系。该小组还发现了闪烁着大量年轻炽热恒星的星系。

“有了JADES，我们想回答很多问题，比如:最早的星系是如何自我组装的？它们形成恒星的速度有多快？为什么有些星系会停止形成恒星？”JADES项目的联合负责人、图森市亚利桑那大学的玛西娅·里克说。

德克萨斯大学奥斯汀分校的Ryan Endsley领导了一项对宇宙大爆炸后5亿到8.5亿年间存在的星系的研究。这是一个被称为再电离时代的关键时期。在大爆炸后的几亿年里，宇宙充满了气态的雾气，使得高能光线无法穿透。到大爆炸后的十亿年，雾已经散去，宇宙变得透明，这一过程被称为再电离。科学家们一直在争论活跃的超大质量黑洞或充满炽热年轻恒星的星系是否是再电离的主要原因。

作为JADES计划的一部分，Endsley和他的同事们用Webb的NIRSpec(近红外光谱仪)仪器研究了这些星系，以寻找恒星形成的信号——并发现了大量的恒星。“我们发现的几乎每一个星系都显示出这些异常强烈的发射线信号，表明最近有密集的恒星形成。“这些早期星系非常擅长创造炽热的大质量恒星，”Endsley说。

这些明亮的大质量恒星发出大量的紫外光，通过电离原子，从原子核中移除电子，将周围的气体从不透明转变为透明。由于这些早期星系拥有如此大量的热大质量恒星，它们可能是再电离过程的主要驱动力。后来电子和原子核的再结合产生了特别强的发射谱线。

Endsley和他的同事们还发现证据表明，这些年轻的星系经历了恒星快速形成的时期，其间穿插着较少恒星形成的平静期。这些时断时续可能发生在星系捕获形成恒星所需的气态原料团块的时候。或者，由于大质量恒星快速爆炸，它们可能周期性地向周围环境注入能量，阻止气体冷凝形成新的恒星。

JADES计划的另一个要素是寻找宇宙不到4亿年时存在的最早的星系。通过研究这些星系，天文学家可以探索宇宙大爆炸后早期的恒星形成与现在看到的有何不同。由于宇宙的膨胀，来自遥远星系的光被拉伸到更长的波长和更红的颜色——这种现象被称为红移。通过测量一个星系的红移，天文学家可以知道它有多远，从而知道它在早期宇宙中的存在时间。在韦伯之前，只有几十个星系被观测到红移超过8，而宇宙的年龄还不到6.5亿年，但JADES现在已经发现了近千个这些极其遥远的星系。

确定红移的黄金标准包括查看星系的光谱，这可以测量其在无数密集波长下的亮度。但是一个很好的近似值可以通过使用滤光器拍摄星系的照片来确定，每个滤光器覆盖一个狭窄的颜色波段，以获得少量的亮度测量值。通过这种方式，研究人员可以一次估计出数千个星系的距离。

图森市亚利桑那大学的凯文·海恩林(Kevin Hainline)和他的同事使用韦伯的NIRCam(近红外相机)仪器获得了这些测量结果，称为光度红移，并确定了700多个候选星系，这些星系存在于宇宙年龄在3.7亿至6.5亿年之间。这些星系的数量远远超出了韦伯发射前的观测预测。天文台精致的分辨率和灵敏度让天文学家比以往任何时候都更好地观察这些遥远的星系。

“以前，我们能看到的最早的星系看起来只是一些小斑点。然而这些污迹代表了宇宙开始时数百万甚至数十亿颗恒星，”海恩林说。“现在，我们可以看到其中一些实际上是具有可见结构的扩展对象。我们可以看到恒星群在时间开始后仅仅几亿年就诞生了。”

“我们发现早期宇宙中的恒星形成比我们想象的要复杂得多，”里克补充道。

这些结果将在新墨西哥州阿尔伯克基举行的美国天文学会第242次会议上公布。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯将解开我们太阳系的谜团，探索其他恒星周围的遥远世界，探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。Webb是由NASA及其合作伙伴ESA(欧洲航天局)和加拿大航天局领导的一项国际计划。