詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）的發射讓天文學家能夠如此近距離地觀測宇宙，以至於我們正在接近據信最早的星系形成時期。在宇宙歷史的大部分時間裡，一個星系形成的恆星數量和它產生的重元素數量之間似乎存在著一致的相關性。

前景中的大星係被命名為LEDA 2046648，被看到的時間距今剛超過10 億年，而其他星系大多位於更遠的地方，因此被看到的時間也更久遠。圖片來源：ESA/韋伯、NASA & CSA, A. Martel

但是，我們現在第一次看到有跡象表明，恆星數量和元素數量之間的這種關係在最早的星系中並不成立。原因很可能是，這些星系只是處於被創造的過程中，還沒有時間創造出重元素。

宇宙中到處都是星系，其中包括數不清的恆星和氣體的巨大集合體–當我們向宇宙深處窺視時，我們會看到它們忽近忽遠。由於光線到達我們這裡的時間越長，星系離我們越遠，因此我們基本上是在回望過去，這樣我們就可以建構出星系在整個宇宙歷史中演變的視覺敘事。

這張圖顯示了”元素-恆星質量圖”中觀測到的星系： 越靠右的星系質量越大，越靠上的星系含有的重元素​​越多。灰色圖示代表當今宇宙中的星系，而紅色圖示則是新觀測到的早期星系。與後來的星系相比，這些星系所含的重元素顯然要少得多，但與理論預測基本上吻合，藍色條帶表示這一點。來源：Kasper Elm Heintz, Peter Laursen

極震區觀測向我們表明，在過去的120 億年裡，也就是宇宙年齡的六分之五，星系一直處於一種平衡狀態： 一方面，它們形成了多少恆星，另一方面，它們形成了多少重元素，這兩者之間似乎存在著一種基本而緊密的關係。在這裡，”重元素”指的是比氫和氦重的一切物質。

這種關係是合理的，因為宇宙最初只由這兩個最輕的元素組成。所有較重的元素，如碳、氧和鐵，都是恆星後來創造出來的。

因此，最初的星系應該沒有受到重元素的”污染”。但直到最近，我們還無法看到如此遙遠的過去。除了距離太遠之外，原因還在於光線在太空中傳播的時間越長，就會變得越紅。要觀測最遙遠的星系，你必須一直觀測到光譜的紅外線部分，而只有詹姆斯-韋伯（James Webb）望遠鏡發射升空後，我們才有了足夠大、足夠靈敏的望遠鏡來觀測這麼遠的星系。

這架太空望遠鏡也沒有讓我們失望： 詹姆斯-韋伯已經多次打破了它自己保持的最遙遠星系的記錄，現在看來，我們終於到達了一些最早的星系誕生的時代。

來自星系間空間的瀰漫氣體向中心墜落，引發恆星形成，並成為星系旋轉盤的一部分。當恆星死亡時，它們會把氣體返回星系（和星系際空間），現在已經富含了重元素。資料來源：Tumlinson 等人（2017）。

在今天發表於科學雜誌《自然-天文學》（Nature Astronomy）上的一項新研究中，來自哥本哈根尼爾斯-玻爾研究所（Niels Bohr Institute）丹麥研究中心宇宙黎明中心（Cosmic Dawn Center）和哥本哈根DTU 航太中心（DTU Space）的天文學家團隊發現了一些似乎確實是最早的星系，它們仍處於形成過程中。

“直到最近，要研究宇宙早期第一批星係是如何形成的幾乎是不可能的，因為我們根本沒有足夠的儀器。隨著詹姆斯-韋伯望遠鏡的發射，這種情況已經徹底改變了，”這項研究的負責人、宇宙黎明中心助理教授卡斯帕-埃爾姆-海因茨（Kasper Elm Heintz）說。

星系恆星總質量與重元素數量之間的關係比這還要複雜一些。星系產生新恆星的速度也有關係。但如果對此進行校正，就會得到一個美麗的線性關係： 星系的質量越大，重元素就越多。但這種關係現在正受到最新觀測結果的挑戰。

卡斯帕-埃爾姆-海因茨（Kasper Elm Heintz）說：「當我們分析其中16個第一批星系的光線時，我們發現它們的重元素含量明顯少於你從它們的恆星質量和產生的新恆星數量所預期的含量。事實上，這些星系的重元素含量平均比宇宙後期少四倍。這些結果與當前的模型形成了鮮明的對比，在當前的模型中，星系在宇宙歷史的大部分時間都在以一種平衡的形式演化。這一結果並不完全令人驚訝。基於詳細計算機程式的星系形成理論模型確實預測到了類似的情況。但現在我們看到了。”

作者在文章中提出的解釋是，我們正在目睹星系的形成過程。引力聚集了第一團氣體，它們已經開始形成恆星。

如果這些星系在不受干擾的情況下生活，恆星很快就會用重元素來豐富它們。但在當時的星系之間，有大量新鮮的、未受污染的氣體，它們流向星系的速度快於恆星的速度。

“這一結果讓我們首次了解到星系形成的最初階段，它與星系之間氣體的聯繫似乎比我們想像的更加緊密。”

這是詹姆斯-韋伯就此課題進行的首批觀測之一，因此我們仍在等待目前正在進行的更大規模、更全面的觀測能告訴我們什麼。

卡斯帕-埃爾姆-海因茨最後說：”毫無疑問，我們很快就能更清楚地了解星系和最初的結構是如何在宇宙大爆炸後的頭十億年開始形成的。”