詹姆斯·韦伯太空望远镜发现矮星系足以重塑整个早期宇宙

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一幅插图显示了詹姆斯·韦伯太空望远镜正在研究一组矮星系。（图片来源:美国国家航空航天局/欧空局/罗伯特·李）

（）据美国太空网（罗伯特·李）：天文学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）和阿尔伯特·爱因斯坦100多年前预测的效应发现，早期宇宙中的小星系产生了巨大的冲击力，在不到10亿年的时间里塑造了整个宇宙。

国际研究小组发现，这些星系类似于今天存在的矮星系，在宇宙大爆炸后5亿至9亿年的宇宙演化的关键阶段发挥了至关重要的作用。科学家们说，这些小星系在新生宇宙中的数量也远远超过较大的星系，并补充说，这些领域可能提供了称为宇宙再电离过程所需的大部分能量。宇宙再电离对宇宙的成长和发展至关重要。

“我们真的在谈论整个宇宙的全球性转变，”研究第一作者、巴黎天体物理研究所的天文学家哈基姆·阿泰克告诉Space.com。“最令人惊讶的是这些微弱的小星系拥有如此强大的能量，它们累积的辐射可以改变整个宇宙。”

重大变革背后的微小驱动力

在大爆炸发生约3.8亿年前，在一个被称为重组时代的时期，现在已有138亿年历史的宇宙一直是不透明和黑暗的。这是因为在其致密和超热状态下，自由电子无休止地围绕称为光子的光粒子反弹。

然而，后来在重组时期，宇宙已经膨胀和冷却到足以允许电子与质子结合并产生第一批氢原子，这是宇宙中最轻和最简单的元素。自由电子的消失意味着光子突然可以自由旅行，因此，宇宙的“黑暗时代”结束了。宇宙突然变得对光透明。这种“第一道光”今天可以以宇宙化石的形式看到，宇宙化石均匀地充满了宇宙，称为“宇宙微波背景”或“CMB”。

因为电子和质子具有相等但相反的电荷，所以这些最初的原子是电中性的，但它们很快会经历另一次转变。

4亿年后，第一批恒星和星系形成——然后，在再电离时代，宇宙中的主要元素中性氢转化为带电粒子。这些粒子被称为离子。电离是由电子吸收光子并增加其能量，从原子中挣脱出来引起的。直到现在，科学家们还不确定这种电离辐射来自哪里。



宇宙的演化伴随着宇宙黑暗时代的结束。(图片鸣谢:美国国家航空航天局)

再电离背后的辐射源嫌疑人包括超大质量黑洞，它们以周围吸积盘的气体为食——导致这些区域喷射高能辐射——质量超过10亿个太阳的大星系和质量小于10亿个太阳的小星系。

“实际上，我们已经就这个问题争论了几十年，无论是大质量黑洞还是大质量星系。甚至还有一些奇特的解释，比如暗物质湮灭产生了电离辐射，”Atek说，“最佳候选之一是星系，现在我们已经证明小星系的贡献是巨大的。

“我们没想到小星系会如此高效地产生电离辐射。即使对于正常大小的星系来说，这也比我们预期的高四倍。”

长期以来，确定较小的矮星系是这种电离辐射的主要来源是一项挑战，因为它们非常微弱。

“很难获得这种信息和这些观测结果，但JWST具有红外光谱能力。事实上，我们建造JWST的原因之一是为了了解再电离时代发生了什么，”阿雷克说。

即使有JWST令人印象深刻的红外观测能力，如果没有阿尔伯特·爱因斯坦的帮助，也不可能发现这些矮星系——更具体地说，如果没有他1915年的广义相对论及其预测的光效应的帮助。

阿尔伯特·爱因斯坦伸出援手

广义相对论认为所有有质量的物体都会扭曲时空结构，事实上，时空是一个名为“时空”的单一实体。该理论认为，我们对重力的感知是这种弯曲的结果。一个物体的质量越大，时空的曲率就越“极端”。因此，它的引力效应越强。

这种曲率不仅会告诉行星如何在恒星周围的轨道上运动，进而告诉这些恒星体如何围绕它们所在星系中心的超大质量黑洞运行，而且它还会改变来自恒星的光的路径。

来自背景光源的光在向地球传播时可以在前景物体周围采取不同的路径，并且该路径越靠近质量大的物体，它就越“弯曲”因此，由于前景或“透镜”物体的影响，来自同一物体的光可以在不同的时间到达地球。



一张图显示了来自背景物体的光如何被前景物体弯曲。（图片来源:美国国家航空航天局、欧空局和l .卡尔阿达）

这种透镜效应可以改变天空中背景物体的位置，或者使背景物体出现在同一张天空图像的多个位置。其他时候，来自背景物体的光被放大，因此该物体在天空中被放大。

这种效应被称为“引力透镜效应”，JWST一直在利用它来观察时间之初的古老星系，这在其他情况下是不可能看到的。

为了观察新研究的遥远和早期矮星系，并分析它们发出的光，JWST使用了一个名为Abell 2744的星系团作为引力透镜。“即使对于JWST星系来说，这些小星系也非常微弱，所以我们需要增加引力透镜来放大来自它们的通量，”Atek说。

随着再电离之谜的潜在解决，该团队现在的目标是通过另一个名为“惊鸿一瞥”的JWST项目将这项研究扩展到更大的规模。研究人员将首先尝试确认这项研究中研究的特定位置代表了宇宙中星系的平均分布。

然后，除了研究再电离过程外，Atek和他的同事们将致力于更好地了解第一批星系的形成，这些星系在120亿年的过程中成长为今天的星系。

“到目前为止，我们实际上一直在研究大部分明亮的大质量星系，但它们在早期宇宙中并不十分典型，”Atek总结道。“因此，如果我们想了解第一个星系的形成，我们确实需要了解微小、低质量星系的形成。这也是我们在这个即将到来的计划中努力要做的事情。”

该团队的研究于周三（2月28日）发表在《自然》杂志上。