宇宙中第一个星系的五个惊人事实

浩瀚宇宙

【博科园-科学科普】关于我们的宇宙最显著的事实之一就是它并没有永远的存在（即有开始也有结束）。我们所看到的物质簇和团簇——行星、恒星、气体云、星系以及更多是由那些随着时间的推移而形成的并由更小的物质组成的。如果我们在更大更远尺度上观察物体，光从它们那里得到的光需要更长的时间才能到达我们的眼睛，这意味着今天到达的光在几百万甚至几十亿年前就已经发出了。

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宇宙再电离历史的示意图，只有在第一颗恒星和星系形成后才会发生。在恒星或星系形成之前宇宙充满了中性原子。虽然大多数宇宙直到5亿5千万年前才被电离，但一些幸运的区域在较早的时候大多被再电离化了。图片版权：S. G. Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center
当我们观测太空时也在回顾时间里发生的历史，在某种程度上会到达一个如此之远的距离，以至于那时没有恒星或星系。尽管詹姆斯·韦伯太空望远镜可以观测到第一批星系，但我们已经知道了5个令人惊讶的事实，这些事实都是关于这些最遥远的物体的。

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所有太阳系都被认为与之形成的原行星盘，随着时间的推移将会合并成行星，就像这个插图所显示的那样。然而当宇宙由氢和氦组成时只有气态行星才能形成，而不是岩石行星。图片版权：NAOJ

TOP1、最初代的恒星和星系中没有岩态行星
当从一种气体分子云中形成恒星时可以完全预料到气体会分裂成一系列的团块，它们以不同的速度生长，这取决于它们的大小和它们附近的其他地方的物质。巨大的气体云将会生长出许多不同大小的恒星和行星，但即使是最小的世界，第一种形式也只能由氢气和氦气组成。没有任何一代恒星就没有更重的元素形成像岩石行星或卫星那样的固体。小的气体球可以形成但当这些恒星点燃时，它们将会被宇宙中第一次核发射的电离辐射燃烧掉进入星际空间。

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与现在的银河系相当的星系是无数的，但银河系的年轻星系本质上比我们今天看到的星系更小、更蓝、更丰富，对于第一个星系来，这是极端的。图片版权：NASA and ESA

TOP2、与我们今天的星系相比最早的星系很小
当宇宙中第一个中性的原子形成时它们已经聚集在一起，在一个特定大小的密度和密度过低的区域。从几十万到几百万太阳质量，这些将形成第一个星团的种子。大约在50到2亿年的时间里，引力使这些第一批气体云坍塌，形成了最初的恒星。当星团开始在引力的作用下融合在一起时，快速的恒星形成就会随之发生，那时我们就可以开始说我们已经形成了宇宙的第一个星系。尽管它们可能只是银河系质量的很小一部分，也许是我们的0.001%，事实上这些是星系本身，包含恒星，星团，行星，气体，尘埃，甚至是暗物质晕。

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这是哈勃极深场视野图，是我们迄今为止对宇宙最深的观测，它揭示了宇宙只有3 - 4%的时代。然而这是哈勃观测的极限，更多的观测时间会显示出微弱的星系，但不是更远的星系。图片版权：NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

TOP3、即使哈勃望远镜看到遥远的宇宙也不会看到第一个星系
这些星系发出的光应该类似于今天新恒星形成的星系发出的光。当一个星系最初形成时它应该充满炽热的、明亮的、短命的蓝色恒星，它们支配着所有其他恒星的亮度。但与附近的星系不同，这些早期星系的光需要一个巨大的宇宙之旅——从我们的角度来看它需要超过130亿年的时间到达我地球。在这段时间里宇宙在膨胀使得最初的紫外光的波长通过可见光的红移，穿过近红外光谱进入光谱的中红外部分。即使哈勃望远镜能将光线远远地看向近红外线，它也永远无法观测到天空，也就无法探测到15~25的红移星系，在那里第一批星系将会被发现，为此我们需要詹姆斯·韦伯太空望远镜。

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在大麦哲伦星云的狼蛛星云中，星团RMC 136(R136)是已知的最大规模的恒星的所在地，最大的R136a1是太阳质量的250倍。图片版权：European Southern Observatory/P. Crowther/C.J. Evans

TOP4、这些宇宙中最大规模的恒星只存在于最早时期
今天如果我们深入到一个极端的恒星形成区域，希望能找到最亮、最亮、最大规模的恒星。当地最大的行星——蜘蛛星云(上图)在银河系的卫星星系中，包含了成千上万的太阳质量的物质以及已知的最大规模的恒星:R136a1。它的质量大约是太阳质量的260倍，是迄今为止发现的最大规模的恒星。但它也承载着元素不断上升的元素周期表，就像我们自己的太阳，它抑制了大质量恒星的初始生长。由于它们是由原始的氢和氦构成的，所以最初的恒星缺乏抑制，并且能够生长到更大的质量。有多大？它的质量是太阳的500倍？1000倍吗？2000倍吗？甚至更大吗？幸运的是詹姆斯·韦伯将太空望远镜未来会告诉我们答案。

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在这个星系中心的暗斑上，由星系超大质量黑洞产生的强磁场所产生的电子发出的毫米波波长的光被吸收了。阴影表明在黑洞中分子气体的冷云正在如下雨般。这些超大质量黑洞或者至少是它们的种子应该在宇宙的第一个星系中找到。图片版权：NASA/ESA & Hubble (blue), ALMA (red)

TOP5、第一个超大质量黑洞应该从他们出生的那一刻开始出现在第一个星系中
矛盾的是恒星越大寿命就越短，所有的大质量恒星都只存活了几百万年，要么是超新星爆炸，要么是直接塌缩，但无论哪种情况它们都会产生巨大的黑洞。这些黑洞迅速迁移到星系中心，在那里它们融合在一起形成了物质，成为我们今天看到的超大质量黑洞的种子。这些最早的星系甚至在它们第一次出现的时候，都可能包含成千上万甚至几百万倍的黑洞，就像我们的太阳一样巨大，相当于银河系中心的400万太阳质量，这些物体必须在那里，詹姆斯·韦伯太空望远镜可能会告诉我们它们到底有多大。

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宇宙的大规模结构随着时间的推移而变化，因为微小的缺陷形成了第一个恒星和星系，然后合并形成我们今天看到的巨大的现代星系。从很远的地方看发现了一个更年轻的宇宙，就像我们过去的地方一样。图片版权：Chris Blake and Sam Moorfield

这些超遥远的，超年轻的，超微小的星系不会长久保持这种状态，在很久以前我们今天看到的每一个附近的星系都与今天看到的第一批星系没有什么不同，詹姆斯·韦伯(James Webb)太空望远镜的发射和部署将在一年多的时间里发现。第一种形式的引力增长最快，因此随着时间的推移已经有138亿年的历史了，它们会吸引越来越多的物质，它们自身也可能是巨大的螺旋形或椭圆型，在它们自己的群体和集群中（就像我们一样：室女座超星系群）。但是我们现在还没有办法知道银河系的过去在任何细节上都是一样的。毕竟宇宙最大的特点是我们只能在今天看到它，在某个特定的时刻尽管发生了整个宇宙的历史，但在我们现在的位置上只知道我们幸存者。

作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：卿君侧
审校：博科园