亞利桑那大學的天文學家發現了有關一個星系的​​驚人細節，該星系存在於宇宙誕生不到3 億年的時候，當時它只有當前年齡的2%。他們利用美國太空總署的詹姆斯韋伯太空望遠鏡發現，JADES-GS-z14-0 比預期的要明亮得多，化學成分也複雜得多，這挑戰了目前對早期星系形成的理解。發現大量氧氣表明，該星系至少在1 億年前就已經形成了恆星，從而推遲了宇宙演化的時間線。

這張來自美國太空總署詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的紅外線影像是由詹姆斯·韋伯太空望遠鏡高級深空河外星系巡天（JADES）計畫的機載近紅外線相機拍攝的。 NIRCam 資料用於確定哪些星系需要透過光譜觀測進行進一步研究。其中一個星系JADES-GS-z14-0（如圖）的紅移被確定為14.3，使其成為目前已知最遠星系的記錄保持者。這對應於大爆炸後不到3 億年的時間。圖片來源：美國太空總署、歐洲太空總署、加拿大太空局、STScI、布蘭特·羅伯森（加州大學聖克魯斯分校）、本·約翰遜（CfA）、桑德羅·塔切拉（劍橋大學）、菲爾·卡吉爾（CfA）

亞利桑那大學的天文學家發現了有關一個非常成熟的星系的新細節，該星系存在於宇宙誕生不到3 億年的時候，當時的年齡僅為當前年齡的2%。

研究人員利用美國太空總署的詹姆斯韋伯太空望遠鏡( JWST ) 研究了這個被稱為JADES-GS-z14-0 的星系，發現對於宇宙歷史的早期來說，它出乎意料地明亮，化學成分也非常複雜。這項發現為了解宇宙的形成時期提供了一個難得的窗口。

這項研究發表在《自然天文學》雜誌上，以2024 年的一項發現為基礎，該發現將JADES-GS-z14-0 確定為有史以來觀測到的最遙遠的星系。雖然最初的發現確定了它的極端距離和驚人的亮度，但新的研究更深入地探索了它的化學組成和演化狀態。

這項研究是詹姆斯韋伯太空望遠鏡高級深海河外星系巡天（ JADES  ）的一部分，JADES是一項旨在探測遙遠星系的大型計畫。

這項研究的合著者、亞利桑那大學斯圖爾德天文台副研究員凱文海因萊恩說，這不僅僅是偶然發現了意想不到的東西。這項調查是專門為尋找遙遠星係而設計的，但這個星係以他們沒有預料到的方式打破了團隊的記錄；它本質上很明亮，化學成分複雜，這在宇宙歷史的早期是完全出乎意料的。

「它不只是一個很小的塊狀物。它很明亮，而且就我們觀察到的宇宙年齡而言相當寬廣，」海因萊因說。

宇宙的時間線：雖然我們不確定第一批恆星何時開始發光，但我們知道它們一定是在重組時代之後的某個時間形成的，那時氫原子和氦原子形成（大爆炸後38 萬年），並且在已知最古老的星系存在之前（大爆炸後4 億年）。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，開啟了再電離時代，結束了宇宙的黑暗時代。圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI

「我們在天空的一個小區域發現了這個星系，這意味著那裡應該還有更多這樣的星系，」這項研究的主要作者、斯圖爾特天文台的研究生雅各布·赫爾頓說。 “如果我們觀察整個天空，而詹姆斯·韋伯太空望遠鏡做不到這一點，我們最終會發現更多這樣的極端物體。”

研究團隊使用了詹姆斯韋伯太空望遠鏡上的多種儀器，包括近紅外線相機（NIRCam），其製造由阿爾伯塔大學天文學教授Marcia Rieke 領導。望遠鏡上的另一台儀器——中紅外線儀器（MIRI）揭示了一些不同尋常的東西：大量的氧氣。

赫爾頓說，在天文學中，任何比氦重的物質都被認為是「金屬」。這種金屬需要一代又一代的恆星才能產生。早期宇宙只含有氫、氦和微量的鋰。但在JADES-GS-z14-0 星系中發現大量氧氣表明，該星系在被觀測到之前可能已經形成了1 億年的恆星。

天文學教授、這項研究的資深作者喬治·里克說，為了產生氧氣，星系必須很早就開始了，因為它必須形成一代恆星。這些恆星必須進化並爆炸成為超新星，將氧氣釋放到星際空間，新的恆星將從中形成和進化。

「要獲得這個星系中這麼多的氧氣，需要非常複雜的循環。所以，這真的令人難以置信，」里克說。這項發現顯示恆星的形成時間比科學家之前認為的還要早，這推遲了宇宙大爆炸後第一個星系形成的時間。

這次觀測需要大約九天的望遠鏡時間，包括167 小時的NIRCam 成像和43 小時的MIRI 成像，重點關注天空中極小的一部分。

阿爾伯塔大學的天文學家很幸運，這個星系恰好位於他們用MIRI 觀測的最佳位置。赫爾頓說，如果他們將望遠鏡指向任何方向，即使只有幾分之一度，他們就會錯過這項至關重要的中紅外線數據。

「想像一下你手臂末端的一粒沙子。你看它在天空中有多大——這就是我們所看到的有多大，」赫爾頓說。

在宇宙歷史的早期就存在著如此發達的星系，為星系形成的理論模型提供了一個有力的試驗案例。

「我們之所以能參與其中，是因為阿爾伯塔大學自20 世紀60 年代中期紅外線天文學剛起步時就一直處於領先地位。我們在月球和行星實驗室擁有第一個主要的紅外線天文學小組，成員包括Gerard Kuiper、Frank Low 和Harold Johnson，」Rieke 說道。

隨著人類獲得直接觀察和了解宇宙初期存在的星系的能力，它可能為了解宇宙如何從簡單元素演變為我們所知的生命所必需的複雜化學性質提供關鍵見解。

「我們正處於天文學史上一個不可思議的時代，」海因萊恩說。 “我們能夠了解遠遠超出人類發現範圍的星系，並以多種不同的方式觀察它們，真正理解它們。這真的很神奇。”

編譯自/ ScitechDaily