最新研究發現了宇宙大爆炸後20 至30 億年形成的星系的驚人特徵。他們利用韋伯望遠鏡對33 個古老的星系進行了研究，發現了異常高的溫度和鎳等元素的存在。他們的研究結果是CECILIA 勘測的一部分，為早期星系的演化和化學組成提供了新的見解，有助於我們了解星系在宇宙歷史中的發展。

研究來自古代宇宙的”少年星系”可以讓科學家了解這些龐大的恆星系統是如何成熟和演化的。根據卡內基大學的格溫-魯迪（Gwen Rudie）和西北大學的艾莉森-斯特羅姆（Allison Strom）領導的新工作，在宇宙大爆炸後20 億至30 億年剛剛形成的星系異常熾熱，並發出來自鎳等令人驚訝元素的光芒。研究來自古代宇宙的”少年星系”可以讓科學家了解這些龐大的恆星系統是如何成熟和演化的。

他們的研究結果發表在《天文物理學雜誌通訊》（The Astrophysical Journal Letters）上，是CECILIA（利用星際極光中的電離線對化學演化進行約束）調查的一部分。去年七月，他們將美國國家航空暨太空總署的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）對準了33個經過特別挑選的古老星系，這些星系的光線經過100多億年的傳播才到達我們這裡，他們用新望遠鏡凝視了這些星系一天多的時間，提供了迄今為止捕捉到的關於這些早期星系的最詳細的視圖。

JWST 望遠鏡拍攝的被稱為”El Gordo”的星系團影像，它是”宇宙少年”的一個例子。圖片來源：NASA、ESA、CSA、Jose M. Diego（IFCA）、Brenda Frye（亞利桑那大學）、Patrick Kamieneski（亞利桑那大學）、Tim Carleton（亞利桑那大學）、Rogier Windhorst（亞利桑那大學）、Alyssa Pagan（STScI） 、Jake Summers（亞利桑那大學）、Jordan CJ D’Silva（亞利桑那大學）。J. D’Silva（西澳大學）、Anton M. Koekemoer（STScI）、Aaron Robotham（西澳大學）、Rogier Windhorst（美國太空大學）

恆星形成與銀河演化

在宇宙年輕的時候，許多星系，包括本研究所選的33個星系，都經歷過一段密集的恆星形成期。如今，一些星系，例如我們的銀河系，仍然在形成新的恆星，儘管速度沒有那麼快。其他星系則完全停止了恆星的形成。這項新工作可以幫助天文學家了解這些不同軌跡背後的原因。

第一作者艾莉森-斯特羅姆（Allison Strom）說：”我們試圖了解星系在140億年的宇宙歷史中是如何成長和變化的。利用JWST，我們的計劃以青少年星系為目標，當時它們正處於成長和變化的混亂時期。青少年的經歷往往決定了他們成年後的軌跡。對於星系來說也是一樣。”

美國太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的觀測對這項研究至關重要。資料來源：美國國家航空暨太空總署

光譜分析和元素發現

CECILIA團隊研究了這些遙遠星系的光譜，將它們的光分成不同的波長，就像三角鏡將陽光散射成彩虹的顏色一樣。以這種方式觀察光線有助於天文學家測量宇宙源的溫度和化學成分。

魯迪解釋說：『我們將所有33個星系的光譜平均起來，創造出迄今為止所見過的最深的遙遠星系光譜–這需要600個小時的望遠鏡時間才能複製出來。這使我們能夠創建一個類似地圖集的東西，為JWST 未來觀測非常遙遠的天體提供參考。”

利用光譜，研究人員能夠辨識出八種不同的元素： 氫、氦、氮、氧、矽、硫、氬和鎳。這些元素存在於這些星系中並不令人驚訝，但我們測量它們的光的能力是前所未有的，顯示了JWST 的強大功能。

所有比氫和氦重的元素都是在恆星內部形成的。當恆星在超新星等劇烈事件中爆炸時，它們會將這些元素噴射到宇宙環境中，並融入下一代恆星。因此，透過揭示這些早期星系中某些元素的存在，天文學家可以了解恆星形成在演化過程中的變化。

CECILIA團隊對鎳元素的存在感到驚訝，因為鎳元素特別難以觀測到。

“我做夢也沒想到我們會看到鎳，”斯特羅姆說。”即使在附近的星系中，人們也沒有觀測到這種現象。星系中必須有足夠多的元素存在，而且要有合適的條件才能觀測到。從來沒有人說過要觀測鎳。元素必須在氣體中發光，我們才能看到它們。因此，為了讓我們看到鎳，星系中的恆星可能有一些獨特之處。”

富蘭克林與馬歇爾學院的合著者Ryan Trainor 補充說：”JWST 仍然是一個非常新的天文台。全世界的天文學家仍在努力找出分析我們從望遠鏡中獲得的數據的最佳方法”。

溫度發現和遺產

另一個驚喜： 少年星系的溫度非常高。透過研究光譜，物理學家可以計算出星系的溫度。星系最熱的地方可以達到攝氏9700度，即華氏17492度，而少年星系的溫度卻高達攝氏13350度，即華氏24062度。

魯迪說：”我們預計這些早期星系的化學成分與我們的銀河系和今天環繞我們的星係有非常非常大的不同。但JWST 所揭示的情況還是讓我們大吃一驚。”

該項目是為了紀念塞西莉亞-佩恩-加波甚金（Cecilia Payne-Gaposchkin）而命名的。她的發現顛覆了科學界對太陽成分的認識，在她的突破性工作最終得到認可之前，她面臨了多年不公正的批評。

“以塞西莉亞-佩恩的名字命名我們的JWST 勘測是為了向她對恆星化學組成的開創性研究表示敬意。艾莉森和我認識到，我們自己揭示這些早期星系化學成分的工作就是建立在她的遺產之上的。」魯迪說。

CECILIA是卡內基和卡內基附屬天文學家領導的六個JWST初始項目中的第一個，這些項目被選中利用這台不可思議的太空望遠鏡進行觀測。今年早些時候，又有四個由卡內基領導的項目入選第二輪JWST時間分配。