回顾宇宙黎明——天文学家证实了有史以来最微弱的星系

是我859

一种叫做引力透镜的现象可以帮助天文学家观察昏暗、难以看到的星系。鸣谢:NASA/STScI

据《对话》（圭多·罗伯茨·博尔萨尼）：我们生活的宇宙是透明的，来自恒星和星系的光在清澈黑暗的背景下闪闪发光。但情况并非总是如此——在早期，宇宙充满了氢原子雾，遮住了来自最早期恒星和星系的光线。

第一代恒星和星系发出的强烈紫外线被认为穿过了氢雾，将宇宙转变成了我们今天看到的样子。虽然前几代望远镜缺乏研究这些早期宇宙物体的能力，但天文学家现在正在使用詹姆斯·韦伯太空望远镜的先进技术来研究宇宙大爆炸后立即形成的恒星和星系。

我是一名天文学家，用世界上最先进的地基和太空望远镜研究宇宙中最远的星系。利用韦伯望远镜的新观测结果和一种叫做引力透镜的现象，我的团队证实了早期宇宙中目前已知的最微弱星系的存在。这个名为JD1的星系被视为宇宙只有4.8亿岁时的样子，或其目前年龄的4%。

早期宇宙简史

宇宙生命的第一个十亿年是其演化的关键时期。在大爆炸后的最初时刻，物质和光被束缚在一团炽热、稠密的基本粒子“汤”中。



早期的宇宙充满了由氢原子组成的雾，直到第一批恒星和星系将它烧掉。鸣谢:美国宇航局/JPL加州理工学院，抄送

然而，在大爆炸后的几分之一秒内，宇宙极其迅速地膨胀。这种膨胀最终让宇宙冷却到足以让光和物质从它们的“汤”中分离出来，并在大约38万年后形成氢原子。氢原子表现为星系间的雾气，没有来自恒星和星系的光，宇宙是黑暗的。这一时期被称为宇宙黑暗时代。

大爆炸数亿年后，第一代恒星和星系的到来使宇宙沐浴在极热的紫外光中，这种紫外光燃烧或电离了氢雾。这个过程产生了我们今天看到的透明、复杂而美丽的宇宙。

像我一样的天文学家称宇宙的第一个十亿年——当氢雾逐渐消失的时候——为再电离时期。为了充分了解这一时期，我们研究了第一批恒星和星系形成的时间，它们的主要属性是什么，以及它们是否能够产生足够的紫外光来燃烧所有的氢。

寻找早期宇宙中的暗淡星系

理解再电离时代的第一步是找到并确认天文学家认为可能导致这一过程的星系距离。由于光以有限的速度传播，到达我们的望远镜需要时间，所以天文学家看到的物体就像过去一样。

例如，来自我们银河系中心的光需要大约27，000年才能到达地球上的我们，所以我们看到它是在27，000年前。这意味着，如果我们想回溯到大爆炸后的最初瞬间(宇宙已经有138亿年了)，我们必须寻找极远距离的物体。

因为居住在这个时期的星系是如此的遥远，所以对于我们的望远镜来说，它们显得非常的微弱和渺小，并且发出的大部分光线都是红外线。这意味着天文学家需要像韦伯这样强大的红外望远镜来发现它们。在韦伯之前，几乎所有天文学家发现的遥远星系都异常明亮和巨大，这仅仅是因为我们的望远镜不够灵敏，无法看到更暗、更小的星系。

然而，后者人数更多，更有代表性，可能是再电离过程的主要驱动力，而不是光明的人。因此，这些暗淡的星系是天文学家需要更详细研究的。这就像试图通过研究整个人群而不是几个非常高的人来理解人类的进化。通过让我们看到暗淡的星系，韦伯打开了研究早期宇宙的新窗口。



布满星系和一些星星的天空。JD1，在放大的盒子里，是在早期宇宙中发现的最微弱的星系。鸣谢:吉多·罗伯茨-博尔萨尼/加州大学洛杉矶分校；原始图像:美国航天局，欧空局，加空局，史文朋技术大学，匹兹堡大学，STScI

一个典型的早期星系

JD1就是这样一个“典型”的暗淡星系。它是2014年由哈勃太空望远镜发现的一个可疑的遥远星系。但是哈勃没有能力或灵敏度来确定它的距离——它只能做出一个有根据的猜测。

附近又小又暗的星系有时会被误认为是遥远的星系，所以天文学家需要先确定它们的距离，然后才能对它们的性质做出判断。因此，遥远的星系在被确认之前仍然是“候选者”。韦伯望远镜最终有能力证实这些，JD1是韦伯对哈勃望远镜发现的一个极其遥远的候选星系的第一次主要证实之一。这一确认将它列为早期宇宙中迄今所见的最微弱的星系。

为了证实JD1，我和一个国际天文学家小组使用韦伯的近红外光谱仪NIRSpec获得了该星系的红外光谱。光谱使我们能够精确定位离地球的距离，确定它的年龄，它形成的年轻恒星的数量以及它产生的尘埃和重元素的数量。

引力透镜，大自然的放大镜

即使对韦伯来说，如果没有大自然的帮助，也不可能看到JD1。JD1位于附近一个名为Abell 2744的大型星系团后面，其综合引力强度弯曲并放大了JD1发出的光。这种效应被称为引力透镜效应，它使得JD1看起来更大，亮度是平常的13倍。

如果没有引力透镜，天文学家将不会看到JD1，即使有韦伯。JD1的引力放大和来自韦伯另一台近红外仪器NIRCam的新图像相结合，使我们的团队有可能以前所未有的细节和分辨率研究星系的结构。

这不仅意味着我们作为天文学家可以研究早期星系的内部区域，还意味着我们可以开始确定这些早期星系是否是小型、致密和孤立的来源，或者它们是否正在与附近的星系合并和相互作用。通过研究这些星系，我们可以追溯到塑造宇宙和孕育我们宇宙家园的基石。