天文学家用詹姆斯·韦伯太空望远镜发现新生星系

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詹姆斯·韦伯太空望远镜穿越时间。前景中的大星系被命名为LEDA 2046648，在10亿年前被观测到，而大多数其他星系位于更远的地方，因此被观测到的时间更久远。鸣谢:欧空局/韦伯、美国航天局和加空局、A. Martel

（）据尼尔斯·波尔研究所：随着詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射，天文学家现在能够追溯到很久以前，我们正在接近我们认为第一个星系诞生的时代。纵观宇宙的大部分历史，星系似乎倾向于遵循它们形成的恒星数量和它们形成的重元素数量之间的紧密关系。

但是，我们现在第一次看到这样的迹象，即恒星和元素数量之间的这种关系不适用于最早的星系。原因很可能是这些星系只是处于被创造的过程中，还没有时间去创造重元素。

宇宙中充满了星系——恒星和气体的巨大集合体——当我们凝视宇宙深处时，我们看到它们或近或远。因为光到达我们这里花费了更多的时间，一个星系离我们越远，我们本质上是通过时间来回顾，这让我们能够构建一个关于它们在整个宇宙历史中演化的视觉叙事。

观察向我们表明，在过去的120亿年中，也就是宇宙年龄的5/6，星系一直以一种平衡的形式生活:一方面，它们形成了多少颗恒星，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的紧密联系。在本文中，“重元素”是指比氢和氦重的任何东西。

这个关系是有意义的，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，都是后来由恒星产生的。



CEERS-z7382的成像和光谱数据。以示例星系为中心的假彩色JWST/NIRCam红绿蓝图像(蓝色:F150W，1.5微米；绿色:F277W，2.8微米；红色:F444W，4.4微米)。标记z = 7.8328处的图像比例和相应的物理尺寸。b、覆盖0.7微米至5.2微米(青色)的完整NIRSpec棱镜光谱和相关的1σ误差光谱(灰色)。c，光谱区的细节，包括来自[O III] λλ4960，5008双峰和Hβ的星云发射线。黑色曲线表示局部最佳拟合线和连续体模型。学分:自然天文学(2023)。DOI: 10.1038/s41550-023-02078-7

詹姆斯·韦伯凝视更深

因此，最初的星系应该没有被重元素“污染”。但是直到最近，我们还不能追溯到那么久以前。除了距离远之外，原因还在于光在太空中传播的时间越长，就变得越红。对于最遥远的星系，你必须一直看到光谱的红外部分，只有随着詹姆斯·韦伯的发射，我们才有了足够大和灵敏的望远镜，可以看到这么远。

太空望远镜并没有让人失望:詹姆斯·韦伯几次打破了自己的最远星系记录，现在看来我们终于要到达一些最早的星系诞生的时代了。

在9月21日发表在《自然天文学》杂志上的一项新研究中，来自丹麦尼尔斯玻尔研究所宇宙黎明中心和哥本哈根DTU空间的一组天文学家发现了一些似乎确实是仍在形成过程中的首批星系。

“直到最近，研究早期宇宙中第一个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·韦伯的发射，这种情况现在完全改变了，”该研究的领导者、宇宙黎明中心的助理教授卡斯帕·埃尔姆·海因茨说。



这张图以“元素-恒星质量图”的形式展示了观测到的星系:星系越靠右，质量越大，越往上，包含的重元素越多。灰色图标代表当今宇宙中的星系，而红色图标显示早期星系的新观测结果。这些星系的重元素明显比后来的星系少得多，但与理论预测大致一致，由蓝色带表示。鸣谢:卡斯帕·埃尔姆·海因茨，彼得·劳尔森。学分:自然天文学(2023)。DOI: 10.1038/s41550-023-02078-7

基本关系破裂

星系的恒星总质量和重元素的数量之间的关系比这要复杂一点。星系产生新恒星的速度也有话说。但是如果你对其进行修正，你会得到一个美丽的线性关系:星系越大，重元素越多。

但是这种关系现在正受到最新观察的挑战。

“当我们分析这些首批星系中的16个的光时，我们看到它们的重元素明显少于你对它们的恒星质量和它们产生的新恒星数量的预期，”Kasper Elm Heintz说。

事实上，星系中的重元素含量平均比后来的宇宙少四倍。这些结果与当前的模型形成鲜明对比，在宇宙历史的大部分时间里，星系以平衡的形式演化。

理论预测

然而，这个结果并不完全令人惊讶。基于详细的计算机程序的星系形成的理论模型，确实预测了类似的事情。但现在我们看到了。

作者在文章中提出的解释很简单，我们正在目睹星系被创造的过程。重力已经聚集了第一批气体，这些气体已经开始形成恒星。

如果星系不受干扰地生活，恒星会很快使它们富含重元素。但是在那个时候，星系之间有大量新鲜的、未被污染的气体，它们以比恒星更快的速度流向星系。

“这一结果让我们第一次深入了解了星系形成的早期阶段，它似乎与星系之间的气体有着比我们想象的更密切的联系。

“这是詹姆斯·韦伯在这个问题上的第一次观察，所以我们仍在等待，看看目前正在进行的更大、更全面的观察能告诉我们什么。

“毫无疑问，我们很快就会对大爆炸后的第一个十亿年中星系和第一个结构是如何形成的有更清楚的了解，”卡斯帕·埃尔姆·海因茨总结道。