JWST 的突破性觀測揭示了低質量星系在早期宇宙再電離過程中的關鍵作用，對現有的宇宙演化理論提出了挑戰。科學家利用美國太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）的數據，首次獲得了宇宙中一些最早星光的完整光譜。這些圖像提供了宇宙大爆炸後不到十億年誕生的質量極低的新生星系的最清晰圖像，並表明這些微小星係是宇宙起源故事的核心。

包括兩位賓州州立大學天文物理學家在內的國際研究小組最近在《自然》雜誌上發表了他們的研究成果。這些光譜揭示了宇宙中被稱為再電離時期的一些最初的可見光，該時期的動力來自最早的恆星和星系的到來。

美國國家航空暨太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（NASA’s James Webb Space Telescope）拍攝的深場影像首次提供了超微弱星系的一瞥，研究人員將這些星系確定為引發宇宙再電離的天體的有力候選者。圖片來源：Hakim Atek/索邦大學/JWST

原始宇宙從黑暗到光明的過渡

論文作者、賓州州立大學天文學和天體物理學助理教授喬爾-萊亞解釋說，宇宙中的正常物質最初是一團炙熱的濃霧，幾乎完全由氫原子核和氦原子核組成。隨著它的膨脹和冷卻，孤質子和電子開始結合，第一次形成了中性氫。然後，在宇宙大爆炸發生後大約5 億至9 億年，在早期宇宙中占主導地位的中性氫開始再次分離成電離氣體，從而促進了恆星和星系的誕生，並撥開了原始迷霧，使光線第一次可以暢通無阻地穿過宇宙。

萊亞說：”有一些東西開始向星際虛空泵送高能量光子。這些光源就像宇宙燈塔，燒掉了中性氫的霧氣。不管是什麼，它的能量如此之大，如此持久，以至於整個宇宙都重新電離了。”

透過分析年輕的低質量星系的光譜，科學家證明，小型星係是引發宇宙再電離的”東西”的有力候選者，它們加熱了周圍緻密的原始氣體，並電離了曾經中性的氫。

「如果宇宙中的其他低質量星係也像這些星系一樣常見且充滿能量，那麼我們認為我們終於了解了照亮宇宙迷霧的燈塔，」萊亞說。 “它們是許許多多微小星系中能量驚人的恆星”。

早期宇宙中的大多數星系預計都相對較小，因此研究它們的頻率和特性極為困難。由於JWST 的靈敏度與Abell 2744 星團的引力透鏡效應（附近的星係就像宇宙放大鏡，會扭曲空間並放大背景星系的光線）的獨特結合，現在有可能確定宇宙最初十億年期間小型星系的豐度及其電離特性。

索邦大學天文物理學家、巴黎天文物理研究所研究員、論文第一作者哈基姆-阿泰克（Hakim Atek）在新聞稿中說：「我們發現，在宇宙再電離的這段時期，小星系的數量比大質量星係多出約一百比一。這些新的觀測結果也顯示，這些小星系產生了大量的電離光子，比通常假設的遙遠星系的標準值高出四倍。這意味著，這些星系發出的電離光子總通量遠遠超過了再電離所需的閾值”。

繪製宇宙演化圖：未來方向

賓州州立大學的研究小組領導了UNCOVER 勘測的建模工作，該勘測以大型前景星系團為目標，這些星系團對更微小、更遙遠的星系產生了透鏡效應。賓州州立大學的研究人員分析了巡天中的所有小光點，以了解天體的特性以及它們可能的品質和距離。 Leja解釋說，這項分析隨後被用來指導後來JWST更詳細的觀測，從而推動了這項發現。

在這些發現之前，有一些假說指出了宇宙再電離的其他來源，如超大質量黑洞、質量超過10億太陽質量的大星系和質量小於10億太陽質量的小星系。研究人員說，由於低質量星系的光度較低，證實與低質量星係有關的假說尤其困難，但新發現提供了迄今為止最明確的證據，證明低質量星系在宇宙再電離過程中發揮了核心作用。

研究人員現在希望將這項研究擴展到更大的範圍，以確認他們分析的特定位置能夠代表宇宙中星系的平均分佈。除了再電離過程之外，他們的觀測還提供了對早期恆星形成過程、星系如何從原始氣體中產生–以及它們如何演變成我們今天所知的宇宙的深入了解。

編譯自: ScitechDaily