詹姆斯·韦伯写有关早期星系的认识：恒星数量和元素数量之间的关系最早并不成立

前景中的大星系被命名为 LEDA 2046648，被看到的时间距今刚刚超过 10 亿年，而其他星系大多位于更远的地方，因此被看到的时间也更久远。图片来源：ESA/韦伯、NASA & CSA, A. Martel

但是，我们现在第一次看到有迹象表明，恒星数量和元素数量之间的这种关系在最早的星系中并不成立。原因很可能是，这些星系只是处于被创造的过程中，还没有时间创造出重元素。

宇宙中到处都是星系，其中包括数不清的恒星和气体的巨大集合体--当我们向宇宙深处窥视时，我们会看到它们忽近忽远。由于光线到达我们这里的时间越长，星系离我们越远，因此我们基本上是在回望过去，这样我们就可以构建出星系在整个宇宙历史中演变的视觉叙事。

这张图显示了"元素-恒星质量图"中观测到的星系： 越靠右的星系质量越大，越靠上的星系含有的重元素越多。灰色图标代表当今宇宙中的星系，而红色图标则是新观测到的早期星系。与后来的星系相比，这些星系所含的重元素显然要少得多，但与理论预测基本吻合，蓝色条带表示这一点。资料来源：Kasper Elm Heintz, Peter Laursen

极震区观测向我们表明，在过去的 120 亿年里，也就是宇宙年龄的六分之五，星系一直处于一种平衡状态： 一方面，它们形成了多少恒星，另一方面，它们形成了多少重元素，这两者之间似乎存在着一种基本而紧密的关系。在这里，"重元素"指的是比氢和氦重的一切物质。

这种关系是合理的，因为宇宙最初只由这两种最轻的元素组成。所有较重的元素，如碳、氧和铁，都是恒星后来创造出来的。

因此，最初的星系应该没有受到重元素的"污染"。但直到最近，我们还无法看到如此遥远的过去。除了距离太远之外，原因还在于光线在太空中传播的时间越长，就会变得越红。要观测最遥远的星系，你必须一直观测到光谱的红外部分，而只有詹姆斯-韦伯（James Webb）望远镜发射升空后，我们才有了足够大、足够灵敏的望远镜来观测这么远的星系。

这架太空望远镜也没有让我们失望： 詹姆斯-韦伯已经多次打破了它自己保持的最遥远星系的记录，现在看来，我们终于到达了一些最早的星系诞生的时代。

来自星系间空间的弥漫气体向中心坠落，引发恒星形成，并成为星系旋转盘的一部分。当恒星死亡时，它们会把气体返回星系（和星系际空间），现在已经富含了重元素。资料来源：Tumlinson 等人（2017）。

在今天发表于科学杂志《自然-天文学》（Nature Astronomy）上的一项新研究中，来自哥本哈根尼尔斯-玻尔研究所（Niels Bohr Institute）丹麦研究中心宇宙黎明中心（Cosmic Dawn Center）和哥本哈根 DTU 航天中心（DTU Space）的天文学家团队发现了一些似乎确实是最早的星系，它们仍处于形成过程中。

"直到最近，要研究宇宙早期第一批星系是如何形成的几乎是不可能的，因为我们根本没有足够的仪器。随着詹姆斯-韦伯望远镜的发射，这种情况已经彻底改变了，"这项研究的负责人、宇宙黎明中心助理教授卡斯帕-埃尔姆-海因茨（Kasper Elm Heintz）说。

星系恒星总质量与重元素数量之间的关系比这还要复杂一些。星系产生新恒星的速度也有关系。但如果对此进行校正，就会得到一个美丽的线性关系： 星系的质量越大，重元素就越多。但这种关系现在正受到最新观测结果的挑战。

卡斯帕-埃尔姆-海因茨（Kasper Elm Heintz）说："当我们分析其中16个第一批星系的光线时，我们发现它们的重元素含量明显少于你从它们的恒星质量和产生的新恒星数量所预期的含量。事实上，这些星系的重元素含量平均比宇宙后期少四倍。这些结果与当前的模型形成了鲜明的对比，在当前的模型中，星系在宇宙历史的大部分时间里都在以一种平衡的形式演化。这一结果并不完全令人惊讶。基于详细计算机程序的星系形成理论模型确实预测到了类似的情况。但现在我们看到了。"

作者在文章中提出的解释是，我们正在目睹星系的形成过程。引力聚集了第一团气体，它们已经开始形成恒星。

如果这些星系在不受干扰的情况下生活，恒星很快就会用重元素来丰富它们。但在当时的星系之间，有大量新鲜的、未受污染的气体，它们流向星系的速度快于恒星的速度。

"这一结果让我们首次了解到星系形成的最初阶段，它与星系之间气体的联系似乎比我们想象的更加紧密。"

这是詹姆斯-韦伯就此课题进行的首批观测之一，因此我们仍在等待目前正在进行的更大规模、更全面的观测能告诉我们什么。

卡斯帕-埃尔姆-海因茨最后说："毫无疑问，我们很快就能更清楚地了解星系和最初的结构是如何在宇宙大爆炸后的头十亿年开始形成的。"