美國國家航空暨太空總署（NASA）詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）的數據顯示，在被稱為潘朵拉星系團（Abell 2744）的太空區域發現了迄今觀測到的第二和第四遙遠的星系。由賓州州立大學研究人員領導的一個國際研究小組對該區域的深場圖像（見下圖）進行了跟進，利用JWST 提供的新光譜數據——有關整個電磁頻譜發出的光的信息–確認了這些古老星系的距離，並推斷了它們的性質。

詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）的近紅外線照相機（NIRCam）確認了有史以來第二遠和第四遠的星系（UNCOVER z-13和UNCOVER z-12）。這些星系位於潘朵拉星團（Abell 2744）中，這裡顯示的是已轉換成可見光顏色的近紅外線波長的光。主星團影像的比例尺以弧秒（arcseconds）為單位，弧秒為天空中角距的量度單位。黑白圖片上的圓圈顯示的是JWST 星載NIRCam-F277W 濾波波段中的星系，表示孔徑大小為0.32 弧秒。圖片來源：星團影像： NASA, UNCOVER (Bezanson et al., DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) Insets： NASA, UNCOVER (Wang et al., 2023) 合成： Dani Zemba/賓州州立大學

這些星系距離我們將近330億光年，它們的距離之遙遠令人難以置信，讓我們可以深入了解最早的星係可能是如何形成的。

獨特的外觀和意義

研究人員說，在這個距離上確認的其他星系在圖像中顯示為紅色圓點，而新星系則不同，它們的體積更大，看起來像一顆花生和一個蓬鬆的球。描述這些星系的論文今天（11 月13 日）發表在《天文物理學雜誌通訊》（Astrophysical Journal Letters）。

根據天文學家估計，在這張來自美國太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的潘朵拉星團深場影像中，代表了5萬個近紅外線光源。它們的光線經過不同的距離到達望遠鏡的探測器，在一張影像中代表了浩瀚的太空。圖片來源：科學： NASA, ESA, CSA, Ivo Labbe (Swinburne), Rachel Bezanson (University of Pittsburgh), Image Processing： 阿麗莎-帕根（STScI）

第一作者、賓州州立大學埃伯利科學學院博士後學者、負責這項研究的JWST UNCOVER（再電離紀元之前的超深近紅外線探測器和近紅外線成像儀觀測）團隊成員王冰潔說：”我們對早期宇宙知之甚少，只有透過這些非常遙遠的星系才能了解那個時代，並檢驗我們關於早期星系形成和成長的理論。在我們進行分析之前，我們只知道有三個星係被確認在這個極端距離附近。對這些新星系及其特性的研究揭示了早期宇宙中星系的多樣性，以及從它們身上可以學到多少東西”。

洞察早期宇宙

由於這些星系的光線需要經過漫長的旅程才能到達地球，因此它為我們提供了一個了解過去的窗口。根據研究小組估計，JWST 偵測到的光線是這兩個星系在宇宙大約3.3 億歲時發出的，經過大約134 億光年的旅行才到達JWST。但研究人員說，由於這段時間宇宙的膨脹，這兩個星系目前距離地球接近330 億光年。

賓州州立大學天文學和天體物理學助理教授、UNCOVER 小組成員喬爾-萊亞（Joel Leja）說：”這些星系發出的光非常古老，大約是地球年齡的三倍。這些早期星係就像燈塔，它們的光線穿過構成早期宇宙的稀薄氫氣。只有透過它們的光，我們才能開始了解在宇宙黎明附近支配星系的奇異物理學。”

科學家利用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡在潘朵拉星系團中發現了兩個遙遠的星系，為我們了解早期宇宙提供了新的視角。這些星系在大小和外觀上都很獨特，挑戰了我們對宇宙萌芽期星系形成的理解。資料來源：美國國家航空暨太空總署

值得注意的是，這兩個星係比之前位於這些極端距離的三個星係要大得多。其中一個直徑約2000 光年，至少大六倍。相較之下，銀河系的直徑約為10萬光年，但王說，早期宇宙被認為是非常壓縮的，因此銀河系如此之大令人驚訝。：「以前在這些距離上發現的星係都是點源–它們在我們的圖像中顯示為一個點。但我們的一個星系看起來是拉長的，幾乎像花生，而另一個星系看起來像一個蓬鬆的球。目前還不清楚這種大小差異是由於恆星是如何形成的，還是形成後發生了什麼，但星系性質的多樣性確實很有趣。這些早期星系預計是由相似的物質形成的，但它們已經顯示出彼此迥異的跡象”。

研究方法

這兩個星係是潘朵拉星系團的6 萬個光源之一，是JWST 在2022 年（即其科學運行的第一年）拍攝的首批深場影像之一中探測到的。之所以選擇這個空間區域，部分原因是它位於幾個星系團的後面，這些星系團會產生一種稱為重力透鏡的自然放大效應。星系團的總質量所產生的引力會扭曲周圍的空間，從而聚焦和放大經過附近的光線，並提供星系團背後的放大視圖。

在短短幾個月的時間裡，UNCOVER 團隊就將60,000 個光源縮小到700 個候選星系供後續研究，他們認為其中8 個可能是第一批星系。然後，JWST 再次對準潘朵拉星團，記錄候選星系的光譜–一種詳細記錄每個波長發出的光量的指紋。

“幾個不同的團隊正在使用不同的方法來尋找這些古老的星系，每個方法都有自己的長處和短處，”Leja 說。”事實上，我們正​​對著太空中這個巨大的放大鏡，這為我們提供了一個令人難以置信的深度窗口，但這個窗口非常小，所以我們在擲骰子。有幾個候選天體都沒有結論，至少有一個是認錯了–它是一個模仿遙遠星系的更近的東西。但我們很幸運，有兩個竟然是這些古老的星系。這太不可思議了。”

性質和影響

研究人員還使用了詳細的模型來推斷這些早期星系在發出JWST 檢測到的光線時的性質。正如研究人員所預期的那樣，這兩個星系很年輕，它們的成分中幾乎沒有金屬，而且正在快速生長，並積極地形成恆星。

“最早的元素是在早期恆星的內核中透過聚變過程形成的，”Leja 說。”這些早期星系沒有金屬等重元素是有道理的，因為它們是製造這些重元素的第一批工廠。當然，它們必須是年輕的恆星形成星系，才能成為第一批星系，但證實這些特性是對我們模型的重要基本檢驗，有助於證實大爆炸理論的整個範式。”

研究人員指出，除了重力透鏡，JWST 強大的紅外線儀器應該能夠探測到更遠距離的星系，如果它們存在的話。

“我們在這個區域只有一個很小的窗口，我們沒有觀測到這兩個星係以外的任何東西，儘管JWST有這個能力。這可能意味著星系在此之前並沒有形成，我們不會發現更遠的星系。也可能意味著我們的小窗口不夠幸運。”

這項工作是向美國國家航空暨太空總署（NASA）提交的成功提案的成果，該提案建議如何在JWST科學運作的第一年使用它。在前三個提交週期中，NASA收到的提案數量是望遠鏡可用觀測時間的四到十倍，只能選擇其中的一小部分。

“當我們的建議被採納時，我們的團隊感到非常興奮，也有些驚訝，”Leja 說。「它涉及協調、快速的人工操作，以及望遠鏡兩次指向同一物體，這對第一年使用的望遠鏡來說要求很高。壓力很大，因為我們只有幾個月的時間來確定需要跟進的天體。但JWST 是為尋找這些第一批星係而建造的，現在能做到這一點實在是太令人興奮了”。