回顧宇宙黎明——天文學家證實了有史以來最微弱的星系
時間：2025-12-10 03:06:44 來源：桑間濮上網 作者：綜合 閱讀：160次
一種叫做引力透鏡的現象可以幫助天文學家觀察昏暗、難以看到的宇宙有史星系。鳴謝:uux.cn/NASA/STScI
（神秘的黎明地球uux.cn）據《對話》（圭多·羅伯茨·博爾薩尼）：我們生活的宇宙是透明的，來自恒星和星系的天文光在清澈黑暗的背景下閃閃發光。但情況并非總是學家星系如此——在早期，宇宙充滿了氫原子霧，證實最微遮住了來自最早期恒星和星系的回顧光線。
第一代恒星和星系發出的宇宙有史強烈紫外線被認為穿過了氫霧，將宇宙轉變成了我們今天看到的黎明樣子。雖然前幾代望遠鏡缺乏研究這些早期宇宙物體的天文能力，但天文學家現在正在使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的學家星系先進技術來研究宇宙大爆炸后立即形成的恒星和星系。
我是證實最微一名天文學家，用世界上最先進的回顧地基和太空望遠鏡研究宇宙中最遠的星系。利用韋伯望遠鏡的宇宙有史新觀測結果和一種叫做引力透鏡的現象，我的黎明團隊證實了早期宇宙中目前已知的最微弱星系的存在。這個名為JD1的星系被視為宇宙只有4.8億歲時的樣子，或其目前年齡的4%。
早期宇宙簡史
宇宙生命的第一個十億年是其演化的關鍵時期。在大爆炸后的最初時刻，物質和光被束縛在一團熾熱、稠密的基本粒子“湯”中。
早期的宇宙充滿了由氫原子組成的霧，直到第一批恒星和星系將它燒掉。鳴謝:uux.cn/美國宇航局/JPL加州理工學院，抄送
然而，在大爆炸后的幾分之一秒內，宇宙極其迅速地膨脹。這種膨脹最終讓宇宙冷卻到足以讓光和物質從它們的“湯”中分離出來，并在大約38萬年后形成氫原子。氫原子表現為星系間的霧氣，沒有來自恒星和星系的光，宇宙是黑暗的。這一時期被稱為宇宙黑暗時代。
大爆炸數億年后，第一代恒星和星系的到來使宇宙沐浴在極熱的紫外光中，這種紫外光燃燒或電離了氫霧。這個過程產生了我們今天看到的透明、復雜而美麗的宇宙。
像我一樣的天文學家稱宇宙的第一個十億年——當氫霧逐漸消失的時候——為再電離時期。為了充分了解這一時期，我們研究了第一批恒星和星系形成的時間，它們的主要屬性是什么，以及它們是否能夠產生足夠的紫外光來燃燒所有的氫。
尋找早期宇宙中的暗淡星系
理解再電離時代的第一步是找到并確認天文學家認為可能導致這一過程的星系距離。由于光以有限的速度傳播，到達我們的望遠鏡需要時間，所以天文學家看到的物體就像過去一樣。
例如，來自我們銀河系中心的光需要大約27，000年才能到達地球上的我們，所以我們看到它是在27，000年前。這意味著，如果我們想回溯到大爆炸后的最初瞬間(宇宙已經有138億年了)，我們必須尋找極遠距離的物體。
因為居住在這個時期的星系是如此的遙遠，所以對于我們的望遠鏡來說，它們顯得非常的微弱和渺小，并且發出的大部分光線都是紅外線。這意味著天文學家需要像韋伯這樣強大的紅外望遠鏡來發現它們。在韋伯之前，幾乎所有天文學家發現的遙遠星系都異常明亮和巨大，這僅僅是因為我們的望遠鏡不夠靈敏，無法看到更暗、更小的星系。
然而，后者人數更多，更有代表性，可能是再電離過程的主要驅動力，而不是光明的人。因此，這些暗淡的星系是天文學家需要更詳細研究的。這就像試圖通過研究整個人群而不是幾個非常高的人來理解人類的進化。通過讓我們看到暗淡的星系，韋伯打開了研究早期宇宙的新窗口。
布滿星系和一些星星的天空。JD1，在放大的盒子里，是在早期宇宙中發現的最微弱的星系。鳴謝:uux.cn/吉多·羅伯茨-博爾薩尼/加州大學洛杉磯分校；原始圖像:美國航天局，歐空局，加空局，史文朋技術大學，匹茲堡大學，STScI
一個典型的早期星系
JD1就是這樣一個“典型”的暗淡星系。它是2014年由哈勃太空望遠鏡發現的一個可疑的遙遠星系。但是哈勃沒有能力或靈敏度來確定它的距離——它只能做出一個有根據的猜測。
附近又小又暗的星系有時會被誤認為是遙遠的星系，所以天文學家需要先確定它們的距離，然后才能對它們的性質做出判斷。因此，遙遠的星系在被確認之前仍然是“候選者”。韋伯望遠鏡最終有能力證實這些，JD1是韋伯對哈勃望遠鏡發現的一個極其遙遠的候選星系的第一次主要證實之一。這一確認將它列為早期宇宙中迄今所見的最微弱的星系。
為了證實JD1，我和一個國際天文學家小組使用韋伯的近紅外光譜儀NIRSpec獲得了該星系的紅外光譜。光譜使我們能夠精確定位離地球的距離，確定它的年齡，它形成的年輕恒星的數量以及它產生的塵埃和重元素的數量。
引力透鏡，大自然的放大鏡
即使對韋伯來說，如果沒有大自然的幫助，也不可能看到JD1。JD1位于附近一個名為Abell 2744的大型星系團后面，其綜合引力強度彎曲并放大了JD1發出的光。這種效應被稱為引力透鏡效應，它使得JD1看起來更大，亮度是平常的13倍。
如果沒有引力透鏡，天文學家將不會看到JD1，即使有韋伯。JD1的引力放大和來自韋伯另一臺近紅外儀器NIRCam的新圖像相結合，使我們的團隊有可能以前所未有的細節和分辨率研究星系的結構。
這不僅意味著我們作為天文學家可以研究早期星系的內部區域，還意味著我們可以開始確定這些早期星系是否是小型、致密和孤立的來源，或者它們是否正在與附近的星系合并和相互作用。通過研究這些星系，我們可以追溯到塑造宇宙和孕育我們宇宙家園的基石。
(責任編輯：時尚)
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