最新研究发现了宇宙大爆炸后 20 至 30 亿年形成的星系的惊人特征。他们利用韦伯望远镜对 33 个古老的星系进行了研究，发现了异常高的温度和镍等元素的存在。他们的研究结果是 CECILIA 勘测的一部分，为早期星系的演化和化学构成提供了新的见解，有助于我们了解星系在宇宙历史中的发展。
研究来自远古宇宙的"少年星系"可以让科学家了解这些庞大的恒星系统是如何成熟和演化的。根据卡内基大学的格温-鲁迪（Gwen Rudie）和西北大学的艾莉森-斯特罗姆（Allison Strom）领导的新工作，在宇宙大爆炸后 20 亿至 30 亿年刚刚形成的星系异常炽热，并发出来自镍等令人惊讶元素的光芒。研究来自远古宇宙的"少年星系"可以让科学家了解这些庞大的恒星系统是如何成熟和演化的。
他们的研究结果发表在《天体物理学杂志通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上，是CECILIA（利用星际极光中的电离线对化学演化进行约束）调查的一部分。去年七月，他们将美国国家航空航天局的詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）对准了33个经过特别挑选的古老星系，这些星系的光线经过100多亿年的传播才到达我们这里，他们用新望远镜凝视了这些星系一天多的时间，提供了迄今为止捕捉到的关于这些早期星系的最详细的视图。
JWST 望远镜拍摄的被称为"El Gordo"的星系团图像，它是"宇宙少年"的一个例子。图片来源：NASA、ESA、CSA、Jose M. Diego（IFCA）、Brenda Frye（亚利桑那大学）、Patrick Kamieneski（亚利桑那大学）、Tim Carleton（亚利桑那大学）、Rogier Windhorst（亚利桑那大学）、Alyssa Pagan（STScI）、Jake Summers（亚利桑那大学）、Jordan C. J. D'Silva（亚利桑那大学）。J. D'Silva（西澳大学）、Anton M. Koekemoer（STScI）、Aaron Robotham（西澳大学）、Rogier Windhorst（美国空间大学）
恒星形成与银河演化
在宇宙年轻的时候，许多星系，包括本次研究选择的33个星系，都经历过一段密集的恒星形成期。如今，一些星系，比如我们的银河系，仍然在形成新的恒星，尽管速度没有那么快。其他星系则完全停止了恒星的形成。这项新工作可以帮助天文学家了解这些不同轨迹背后的原因。
第一作者艾莉森-斯特罗姆（Allison Strom）说："我们试图了解星系在140亿年的宇宙历史中是如何成长和变化的。利用 JWST，我们的计划以青少年星系为目标，当时它们正处于成长和变化的混乱时期。青少年的经历往往决定了他们成年后的轨迹。对于星系来说也是一样。"
美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的观测对这项研究至关重要。资料来源：美国国家航空航天局
光谱分析和元素发现
CECILIA团队研究了这些遥远星系的光谱，将它们的光分成不同的波长，就像三棱镜将阳光散射成彩虹的颜色一样。以这种方式观察光线有助于天文学家测量宇宙源的温度和化学成分。
鲁迪解释说："我们将所有33个星系的光谱平均起来，创造出迄今为止所见过的最深的遥远星系光谱--这需要600个小时的望远镜时间才能复制出来。这使我们能够创建一个类似地图集的东西，为 JWST 未来观测非常遥远的天体提供参考。"
利用光谱，研究人员能够识别出八种不同的元素： 氢、氦、氮、氧、硅、硫、氩和镍。这些元素存在于这些星系中并不令人惊讶，但我们测量它们的光的能力是前所未有的，显示了 JWST 的强大功能。
所有比氢和氦重的元素都是在恒星内部形成的。当恒星在超新星等剧烈事件中爆炸时，它们会将这些元素喷射到宇宙环境中，并融入下一代恒星。因此，通过揭示这些早期星系中某些元素的存在，天文学家可以了解恒星形成在演化过程中的变化。
CECILIA团队对镍元素的存在感到惊讶，因为镍元素特别难以观测到。
"我做梦也没想到我们会看到镍，"斯特罗姆说。"即使在附近的星系中，人们也没有观测到这种现象。星系中必须有足够多的元素存在，而且要有合适的条件才能观测到。从来没有人说过要观测镍。元素必须在气体中发光，我们才能看到它们。因此，为了让我们看到镍，星系中的恒星可能有一些独特之处。"
富兰克林与马歇尔学院的合著者 Ryan Trainor 补充说："JWST 仍然是一个非常新的天文台。全世界的天文学家仍在努力找出分析我们从望远镜中获得的数据的最佳方法"。
温度发现和遗产
另一个惊喜： 少年星系的温度非常高。通过研究光谱，物理学家可以计算出星系的温度。星系最热的地方可以达到9700多摄氏度，即华氏17492度，而少年星系的温度却高达13350多摄氏度，即华氏24062度。
鲁迪说："我们预计这些早期星系的化学成分与我们的银河系和今天环绕我们的星系有非常非常大的不同。但 JWST 所揭示的情况还是让我们大吃一惊。"
该项目是为了纪念塞西莉亚-佩恩-加波什金（Cecilia Payne-Gaposchkin）而命名的。她的发现颠覆了科学界对太阳成分的认识，在她的突破性工作最终得到认可之前，她面临了多年不公正的批评。
"以塞西莉亚-佩恩的名字命名我们的 JWST 勘测是为了向她对恒星化学组成的开创性研究表示敬意。艾莉森和我认识到，我们自己揭示这些早期星系化学成分的工作就是建立在她的遗产之上的。"鲁迪说。
CECILIA是卡内基和卡内基附属天文学家领导的六个JWST初始项目中的第一个，这些项目被选中利用这台不可思议的太空望远镜进行观测。今年早些时候，又有四个由卡内基领导的项目入选第二轮JWST时间分配。