天文學家們正在研究早期宇宙的許多奧秘，享受探索發現的豐碩成果。詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）是美國國家航空暨太空總署哈伯太空望遠鏡的繼任者，它的成功發射挑戰了我們所能看到的極限。現在，觀測工作已經進入了宇宙大爆炸後的最初5 億年，當時宇宙的年齡還不到現在的5%。對人類來說，這段時期的宇宙正處於蹣跚學步的階段。

然而，我們觀測到的星系肯定不是稚嫩的，新的觀測結果表明，在如此早期，星系的質量和成熟度都超過了以前的預期，這有助於改寫我們對星系形成和演化的認識。

我們的國際研究團隊最近對已知最早的星系之一–Gz9p3進行了前所未有的詳細觀測，觀測結果發表在《自然-天文學》（Nature Astronomy）上。

它的名字來自格拉斯合作（我們國際研究團隊的名稱）和星系的紅移z=9.3這一事實，紅移是描述天體距離的一種方法，因此有了G和z9p3。

Gz9p3，宇宙最初5 億年中已知最亮的合併星系（透過JWST 觀測） 左圖：直接成像顯示中央區域有一個雙核核心。右圖光剖面的等高線顯示出星系合併產生的拉長的團塊結構。資料來源：美國國家航空暨太空總署

就在幾年前，Gz9p3 還只是哈伯太空望遠鏡中的一個光點。但透過詹姆斯韋伯太空望遠鏡，我們可以觀測到這個天體在宇宙大爆炸後5.1 億年，也就是大約130 億年前的樣子。對於這樣一個年輕的宇宙來說，Gz9p3 的質量和成熟度都遠遠超出預期，它已經包含了幾十億顆恆星。它是迄今為止確認的質量最大的天體，根據計算，它的質量是宇宙早期發現的其他星系的10 倍。這些結果表明，銀河係要達到這樣的大小，恆星的發展速度和效率一定比我們最初想像的要快得多。

早期宇宙中最遙遠的星系合併

這個Gz9p3 不僅質量巨大，而且其複雜的形狀一眼就能看出它是有史以來最早的星系合併之一。

JWST 對這個星系的成像顯示了兩個相互作用星系的典型形態。合併還沒有結束，因為我們仍然可以看到兩個組成部分。

當兩個大質量天體像這樣合併時，它們會在合併過程中有效地丟棄一些物質。因此，這些被丟棄的物質表明，我們觀測到的是有史以來最遙遠的合併。

隨後，研究人員將目光投向更深層次，以描述構成合併星系的恆星群。利用JWST，我們能夠檢查星系的光譜，就像三角鏡把白光分成彩虹一樣，我們也能把光分成不同的部分。

如果僅使用成像技術，對這些非常遙遠天體的大多數研究只能顯示出非常年輕的恆星，因為年輕的恆星更亮，所以它們的光會主導成像數據。

例如，由星系合併引發的一個不到幾百萬年歷史的年輕明亮群體，比一個已經超過一億年歷史的古老群體更加耀眼。利用光譜技術，我們可以進行非常詳細的觀測，從而區分出這兩個族群。

早期宇宙的新模型

考慮到恆星形成的時間較早，到這段宇宙時期已經足夠老化，如此成熟的老恆星群是我們始料未及的。光譜非常細緻，我們可以看到老恆星的細微特徵，這些特徵告訴我們，它們比你想像的要多得多。

光譜中檢測到的特定元素（包括矽、碳和鐵）顯示，這個較老的族群的存在一定是為了給星系提供豐富的化學物質。

令人驚訝的不僅是星系的大小，還有它們成長到如此成熟的化學狀態的速度。這些觀測結果提供的證據表明，在宇宙大爆炸之後，恆星和金屬迅速而有效地累積起來，並與正在進行的星系合併聯繫在一起，這表明擁有數十億顆恆星的大質量星係比預期的更早存在。

觀測結果提供了證據，證明恆星和金屬在宇宙大爆炸之後迅速、有效率地累積起來。資料來源：NASA、ESA、Jennifer Lotz（STSCI）、Matt Mountain（STSCI）、Anton M. Koekemoer（STSCI）、HFF 小組（STSCI）

孤立星系從其有限的氣體庫中就地累積恆星群，然而，這種增長方式對星係來說是緩慢的。

星系之間的相互作用可以吸引新的原始氣體流入，為恆星的快速形成提供燃料，而星系的合併則為質量的累積和增長提供了更快的通道。

現代宇宙中最大的星係都有過合併的歷史，包括我們的銀河系，它是透過與較小星系的連續合併才發展到現在的大小的。

對Gz9p3的這些觀測結果表明，星系能夠在早期宇宙中透過合併迅速累積質量，恆星形成效率比我們預期的要高。

利用JWST 進行的這項觀測和其他觀測正在促使天文物理學家調整他們對宇宙早期的建模。

我們的宇宙學不一定是錯的，但我們對星系形成速度的理解可能是錯的，因為它們的質量比我們想像的還要大。

在利用JWST 進行科學觀測的兩年期即將到來之際，這些新成果可謂恰逢其時。

隨著觀測到的星系總數不斷增加，研究早期宇宙的天文學家們正從發現階段過渡到我們擁有足夠大的樣本來開始建立和完善新模型的階段。

現在是了解早期宇宙奧秘的最令人興奮的時刻。

編譯自: ScitechDaily