JWST 的突破性观测揭示了低质量星系在早期宇宙再电离过程中的关键作用，对现有的宇宙演化理论提出了挑战。科学家们利用美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）的数据，首次获得了宇宙中一些最早星光的完整光谱。这些图像提供了宇宙大爆炸后不到十亿年诞生的质量极低的新生星系的最清晰图像，并表明这些微小星系是宇宙起源故事的核心。
包括两位宾夕法尼亚州立大学天体物理学家在内的国际研究小组最近在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。这些光谱揭示了宇宙中被称为再电离时期的一些最初的可见光，该时期的动力来自最早的恒星和星系的到来。
美国国家航空航天局詹姆斯-韦伯太空望远镜（NASA's James Webb Space Telescope）拍摄的深场图像首次提供了超微弱星系的一瞥，研究人员将这些星系确定为引发宇宙再电离的天体的有力候选者。图片来源：Hakim Atek/索邦大学/JWST
原始宇宙从黑暗到光明的过渡
论文作者、宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学助理教授乔尔-莱亚解释说，宇宙中的正常物质最初是一团炙热的浓雾，几乎完全由氢原子核和氦原子核组成。随着它的膨胀和冷却，孤质子和电子开始结合，第一次形成了中性氢。然后，在宇宙大爆炸发生后大约 5 亿至 9 亿年，在早期宇宙中占主导地位的中性氢开始再次分离成电离气体，从而促进了恒星和星系的诞生，并拨开了原始迷雾，使光线第一次可以畅通无阻地穿过宇宙。
莱亚说："有一些东西开始向星际虚空泵送高能光子。这些光源就像宇宙灯塔，烧掉了中性氢的雾气。不管是什么，它的能量如此之大，如此持久，以至于整个宇宙都重新电离了。"
通过分析年轻的低质量星系的光谱，科学家们证明，小型星系是引发宇宙再电离的"东西"的有力候选者，它们加热了周围致密的原始气体，并电离了曾经中性的氢。
"如果宇宙中的其他低质量星系也像这些星系一样常见和充满能量，那么我们认为我们终于了解了照亮宇宙迷雾的灯塔，"莱亚说。"它们是许许多多微小星系中能量惊人的恒星"。
早期宇宙中的大多数星系预计都相对较小，因此研究它们的频率和特性极其困难。由于 JWST 的灵敏度与 Abell 2744 星团的引力透镜效应（附近的星系就像宇宙放大镜，会扭曲空间并放大背景星系的光线）的独特结合，现在有可能确定宇宙最初十亿年期间小型星系的丰度及其电离特性。
索邦大学天体物理学家、巴黎天体物理研究所研究员、论文第一作者哈基姆-阿泰克（Hakim Atek）在一份新闻稿中说："我们发现，在宇宙再电离的这一时期，小星系的数量比大质量星系多出约一百比一。这些新的观测结果还显示，这些小星系产生了大量的电离光子，比通常假设的遥远星系的标准值高出四倍。这意味着，这些星系发出的电离光子总通量远远超过了再电离所需的阈值"。
绘制宇宙演化图：未来方向
宾夕法尼亚州立大学的研究小组领导了 UNCOVER 勘测的建模工作，该勘测以大型前景星系团为目标，这些星系团对更微小、更遥远的星系产生了透镜效应。宾夕法尼亚州立大学的研究人员分析了巡天中的所有小光点，以了解天体的特性以及它们可能的质量和距离。Leja解释说，这一分析随后被用来指导后来JWST更详细的观测，从而推动了这一发现。
在这些发现之前，有一些假说指出了宇宙再电离的其他来源，如超大质量黑洞、质量超过10亿太阳质量的大星系和质量小于10亿太阳质量的小星系。研究人员说，由于低质量星系的光度较低，证实与低质量星系有关的假说尤其困难，但新发现提供了迄今为止最明确的证据，证明低质量星系在宇宙再电离过程中发挥了核心作用。
研究人员现在希望将这项研究扩展到更大的范围，以确认他们分析的特定位置能够代表宇宙中星系的平均分布情况。除了再电离过程之外，他们的观测还提供了对早期恒星形成过程、星系如何从原始气体中产生--以及它们如何演变成我们今天所知的宇宙的深入了解。
编译自:ScitechDaily