丹麥的一個研究小組在研究詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的檔案數據時，最近發現了三個遙遠的星系，當宇宙只有幾億年歷史時，它們正在聚集氣體。對它們的探測和特徵描述是一項了不起的成就，目前只有韋伯望遠鏡能夠做到這一點，這要歸功於它在紅外光方面的專長。這些數據首次表明，這些早期星系周圍存在著大量的氣體庫。這些氣體最終會落入星系中，促進新恆星的形成，經過數百萬年的時間，最終形成充滿恆星的高度結構化星系。

這幅插圖顯示了一個在宇宙大爆炸後幾億年才形成的星系，在重離子時代，氣體是透明和不透明的混合體。來自美國太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的數據顯示，這些早期星系附近存在大量冷的中性氣體–而且這些氣體的密度可能比預期的要高。

韋伯望遠鏡在2022年開始觀測幾個月後，作為其宇宙演化早期釋放科學（CEERS）調查的一部分觀測到了這些星系。 CEERS包括影像和來自其NIRSpec（近紅外線攝譜儀）上微型遮光器的光譜資料。作為韋伯早期發布科學（ERS）計劃的一部分，CEERS的數據立即發布，以支持類似的發現。

資料來源：NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted（STScI）

只有詹姆斯-韋伯太空望遠鏡才能探測和研究這些星系，當宇宙只有幾億年歷史時，這些星係就在稠密、不透明的氣體中形成了。

雖然我們不清楚第一批恆星開始閃耀的確切時間，但我們知道它們一定是在氫原子和氦原子形成的重組時代（宇宙大爆炸後38 萬年）之後的某個時間，也就是在已知最古老的星係出現之前（宇宙大爆炸後4 億年）形成的。第一批恆星發出的紫外線將充滿宇宙的中性氫氣分解成氫離子和自由電子，開啟了重電離時代，結束了宇宙的黑暗時代。資料來源：NASA、ESA、CSA、STScI

研究人員透過分析美國太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（NASA’s James Webb Space Telescope）的數據，確定了三個星系的位置，它們可能正在積極形成，當時宇宙的年齡只有4億到6億年。韋伯的數據顯示，這些星係被氣體包圍，研究人員懷疑這些氣體幾乎純粹是氫和氦，它們是宇宙中最早存在的元素。韋伯望遠鏡的儀器非常靈敏，因此能夠探測到這些星系周圍異常密集的氣體。這些氣體最終很可能會為星系中新恆星的形成提供燃料。

「這些星係就像是在一片原本中性、不透明的氣體海洋中閃閃發光的島嶼，”第一作者、丹麥哥本哈根大學宇宙黎明中心（DAWN）天體物理學助理教授卡斯帕-海因茨（Kasper Heintz）解釋說。 “如果沒有韋伯望遠鏡，我們就無法觀測到這些非常早期的星系，更不用說了解它們的形成過程了。”

「我們正在摒棄將星系視為孤立生態系統的看法。在宇宙歷史的這一階段，星係都與星系間介質及其原始氣體細絲和結構緊密相連，」合著者、同時也是破曉天文台的博士生西蒙娜-尼爾森（Simone Nielsen）補充說。

130 多億年前，在重離子時代，宇宙是一個非常不同的地方。星系之間的氣體在很大程度上對高能量光不透明，因此很難觀測到年輕的星系。隨著恆星和年輕星系的不斷形成和演化，它們開始改變周圍的氣體。經過數億年的時間，氣體從中性、不透明的氣體轉變為電離、透明的氣體。資料來源：NASA、ESA、CSA、Joyce Kang（STScI）

在韋伯望遠鏡的圖像中，這些星系看起來就像模糊的紅色污點，因此額外的數據（即光譜）對研究小組的結論至關重要。這些光譜顯示，這些星系發出的光被大量中性氫氣吸收。合著者之一、破曉天文台教授達拉赫-沃森（Darach Watson）說：”這些氣體一定非常廣泛，覆蓋了星系的很大一部分。這表明我們看到的是中性氫氣體聚集成星系的過程。

宇宙大爆炸後的幾億年，也就是所謂的”重離子時代”（Era of Reionization），當時的宇宙與現在截然不同。 (恆星和星系之間的氣體在很大程度上是不透明的。整個宇宙的氣體直到宇宙大爆炸後10 億年左右才變得完全透明。星系中的恆星對其周圍的氣體進行加熱和電離，使氣體最終變得完全透明。

透過將韋伯的數據與恆星形成模型相匹配，研究人員還發現這些星系主要擁有年輕恆星群。 “沃森補充說：”我們看到大量氣體儲層的事實也表明，這些星係還沒有足夠的時間形成大部分恆星。

韋伯不僅實現了推動其開發和發射的任務目標，而且還超越了這些目標。 “這些遙遠星系的圖像和數據在韋伯之前是不可能獲得的，”合著者、破曉天文台副教授加布里埃爾-布拉莫爾（Gabriel Brammer）解釋。 “另外，當我們第一次瞥見這些數據時，我們對將要發現的東西已經有了很好的感覺–我們幾乎是靠眼睛來發現的”。

還有許多問題需要解決。這些氣體具體在哪裡？有多少位於星系中心附近，或是星系外圍？這些氣體是原始的，還是充滿了更重的元素？未來還有大量研究工作要做。 “海因茨說：”下一步是建立大型星系統計樣本，詳細量化星系特徵的普遍性和顯著性。

深深地凝視這幅廣闊的圖景。它是由詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）用近紅外線拍攝的多幅影像拼接而成的–它實際上是在活動著。圖片來源：NASA、ESA、CSA、Steve Finkelstein（UT Austin）、Micaela Bagley（UT Austin）、Rebecca Larson（UT Austin）、Alyssa Pagan（STScI）

研究人員的發現得益於韋伯望遠鏡的宇宙演化早期發布科學（CEERS）調查，其中包括來自望遠鏡近紅外線攝譜儀（NIRSpec）的遙遠星系的光譜，並作為韋伯早期發布科學（ERS）計劃的一部分立即發布，以支持類似的發現。

這項研究成果發表在2024 年5 月24 日出版的《科學》雜誌。

編譯來源：ScitechDaily