天文学家们正在研究早期宇宙的许多奥秘，享受着探索发现的丰硕成果。詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）是美国国家航空航天局哈勃太空望远镜的继任者，它的成功发射挑战了我们所能看到的极限。现在，观测工作已经进入了宇宙大爆炸后的最初 5 亿年，当时宇宙的年龄还不到现在的 5%。对于人类来说，这一时期的宇宙正处于蹒跚学步的阶段。
然而，我们观测到的星系肯定不是稚嫩的，新的观测结果表明，在如此早期，星系的质量和成熟度都超过了以前的预期，这有助于改写我们对星系形成和演化的认识。
我们的国际研究小组最近对已知最早的星系之一--Gz9p3进行了前所未有的详细观测，观测结果发表在《自然-天文学》（Nature Astronomy）上。
它的名字来源于格拉斯合作（我们国际研究团队的名称）和星系的红移z=9.3这一事实，红移是描述天体距离的一种方法，因此有了G和z9p3。
Gz9p3，宇宙最初 5 亿年中已知最亮的合并星系（通过 JWST 观测） 左图：直接成像显示中央区域有一个双核核心。右图光剖面的等高线显示出星系合并产生的拉长的团块结构。资料来源：美国国家航空航天局
就在几年前，Gz9p3 还只是哈勃太空望远镜中的一个光点。但通过詹姆斯-韦伯太空望远镜，我们可以观测到这个天体在宇宙大爆炸后 5.1 亿年，也就是大约 130 亿年前的样子。对于这样一个年轻的宇宙来说，Gz9p3 的质量和成熟度都远超预期，它已经包含了几十亿颗恒星。它是迄今为止确认的质量最大的天体，根据计算，它的质量是宇宙早期发现的其他星系的 10 倍。这些结果表明，银河系要达到这样的大小，恒星的发展速度和效率一定比我们最初想象的要快得多。
早期宇宙中最遥远的星系合并
这个 Gz9p3 不仅质量巨大，而且其复杂的形状一眼就能看出它是有史以来最早的星系合并之一。
JWST 对这个星系的成像显示了两个相互作用星系的典型形态。合并还没有结束，因为我们仍然可以看到两个组成部分。
当两个大质量天体像这样合并时，它们会在合并过程中有效地丢弃一些物质。因此，这些被丢弃的物质表明，我们观测到的是有史以来最遥远的一次合并。
随后，研究人员将目光投向更深层次，以描述构成合并星系的恒星群。利用 JWST，我们能够检查星系的光谱，就像三棱镜把白光分成彩虹一样，我们也能把光分成不同的部分。
如果仅使用成像技术，对这些非常遥远天体的大多数研究只能显示出非常年轻的恒星，因为年轻的恒星更亮，所以它们的光会主导成像数据。
例如，由星系合并引发的一个不到几百万年历史的年轻明亮群体，比一个已经超过一亿年历史的古老群体更加耀眼。利用光谱技术，我们可以进行非常详细的观测，从而区分出这两个种群。
早期宇宙的新模型
考虑到恒星形成的时间较早，到这一宇宙时期已经足够老化，如此成熟的老恒星群是我们始料未及的。光谱非常细致，我们可以看到老恒星的细微特征，这些特征告诉我们，它们比你想象的要多得多。
光谱中检测到的特定元素（包括硅、碳和铁）显示，这个较老的族群的存在一定是为了给星系提供丰富的化学物质。
令人惊讶的不仅是星系的大小，还有它们成长到如此成熟的化学状态的速度。这些观测结果提供的证据表明，在宇宙大爆炸之后，恒星和金属迅速而有效地积累起来，并与正在进行的星系合并联系在一起，这表明拥有几十亿颗恒星的大质量星系比预期的更早存在。
观测结果提供了证据，证明恒星和金属在宇宙大爆炸之后迅速、高效地积累起来。资料来源：NASA、ESA、Jennifer Lotz（STSCI）、Matt Mountain（STSCI）、Anton M. Koekemoer（STSCI）、HFF 小组（STSCI）
孤立星系从其有限的气体库中就地积累恒星群，然而，这种增长方式对星系来说是缓慢的。
星系之间的相互作用可以吸引新的原始气体流入，为恒星的快速形成提供燃料，而星系的合并则为质量的积累和增长提供了更快的通道。
现代宇宙中最大的星系都有过合并的历史，包括我们的银河系，它是通过与较小星系的连续合并才发展到现在的大小的。
对Gz9p3的这些观测结果表明，星系能够在早期宇宙中通过合并迅速积累质量，恒星形成效率比我们预期的要高。
利用 JWST 进行的这一观测和其他观测正在促使天体物理学家调整他们对宇宙早期的建模。
我们的宇宙学不一定是错的，但我们对星系形成速度的理解可能是错的，因为它们的质量比我们认为的可能还要大。
在利用 JWST 进行科学观测的两年期即将到来之际，这些新成果可谓恰逢其时。
随着观测到的星系总数不断增加，研究早期宇宙的天文学家们正从发现阶段过渡到我们拥有足够大的样本来开始建立和完善新模型的阶段。
现在是了解早期宇宙奥秘的最激动人心的时刻。
编译自:ScitechDaily