《宇宙灯塔》——韦伯揭示宇宙第一道光的秘密

詹姆斯·韦伯太空望远镜的开创性观测揭示了低质量星系在早期宇宙再电离中的关键作用，挑战了现有的宇宙演化理论。

科学家们利用美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的数据，首次获得了宇宙中一些最古老星光的完整光谱。 这些图像提供了迄今为止关于极低质量新生星系的最清晰图片，这些新生星系是在大爆炸后不到十亿年形成的，并表明年轻星系在宇宙起源故事中发挥着核心作用。

包括两名宾夕法尼亚州立大学天体物理学家在内的国际研究团队最近在该杂志上发表了他们的发现 自然。 这些光谱揭示了宇宙中被称为再电离的时期的一些第一批可见光，这是由第一批恒星和星系的到来所推动的。

美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的深场图像首次展示了极其微弱的星系，研究人员认为这些星系是引发宇宙再电离的有力候选天体。 图片来源：Hakim Atiq/索邦大学/JWST

原始宇宙：从黑暗到光明的转变

宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学助理教授、该论文的作者之一乔尔·莱加（Joel Lyga）解释说，宇宙中的正常物质最初是一种几乎完全由氢和氦核组成的炽热浓雾。 当它膨胀和冷却时，单个质子和电子开始结合，第一次形成中性氢。 大约500到9亿年后 大爆炸早期宇宙中盛行的中性氢开始再次分离成电离气体，刺激了恒星和星系的形成，并解除了原始迷雾，使光第一次能够不受阻碍地穿过宇宙。

莱加说：“有东西被触发，并开始将非常高能的光子泵入星系之间的空隙。” “这些源就像宇宙信标一样，燃烧了中性氢雾。无论它是什么，它都充满能量和持久性，以至于整个宇宙再次被电离。”

星系先驱：低质量星系的作用

通过分析小型低质量星系的光谱，科学家们证明，小型星系是通过加热其周围的致密原始气体并电离先前中性氢而使宇宙重新电离的“物体”的有力候选者。

莱加说：“如果宇宙中其他低质量星系也像这些星系一样常见和充满活力，那么我们认为我们终于到达了燃烧宇宙迷雾的灯塔。” “它们是许多小星系中极其活跃的恒星。”

莱哈补充说，早期宇宙中的大多数星系预计都相对较小，这使得研究它们的频率和特性变得非常困难。 由于詹姆斯·韦伯太空望远镜的灵敏度与阿贝尔星团 2744 的引力透镜效应的独特结合所带来的技术突破成为可能，阿贝尔星团 2744 是附近的星系，其作用就像宇宙放大器，扭曲空间并放大背景星系的光。现在可以确定十亿年内小星系的丰度及其电离特性，这在宇宙中尚属首次。

“我们发现，在这个宇宙再电离时代，小星系的数量比大星系的数量大约为一百比一，”索邦大学天体物理学家、巴黎天体物理研究所研究员、该论文的第一作者哈基姆·阿蒂克（Hakim Atiq）说，在新闻稿中说。 “这些新的观测结果还揭示，这些小星系产生了大量的电离光子，超过了通常假设的遥远星系基本值的四倍。这意味着这些星系发射的电离光子的总通量远远超过了所需的阈值进行再电离。”

绘制宇宙演化图：未来方向

宾夕法尼亚州立大学团队领导了 UNCOVER 调查的建模工作，该调查的目标是大型前景星系团，该星系团对更小、更遥远的星系进行成像。 宾夕法尼亚州立大学的研究人员分析了扫描中的所有微小光点，以了解该物体的​​特性以及其质量和可能的距离。 Lija 解释说，这项分析随后被用来指导更详细的 JWST 观测，从而得出这一发现。

在这些结果之前，有许多假设确定了宇宙再电离的其他来源，例如超大质量黑洞； 质量超过十亿个太阳质量的大型星系； 还有质量不到十亿个太阳质量的小星系。 研究人员表示，鉴于低质量星系的亮度较低，证实有关低质量星系的假设特别困难，但新结果提供了迄今为止最清晰的证据，表明低质量星系在宇宙再电离过程中发挥了核心作用。

研究人员现在希望将研究扩展到更大的范围，以确保他们分析的具体位置代表宇宙中星系的平均分布。 除了再电离过程之外，他们的观测还让我们深入了解早期恒星形成的过程、星系如何从原始气体中产生，以及它们如何演化成我们今天所知的宇宙。

参考文献：“使宇宙重新电离的大部分光子来自矮星系”，作者：Hakim Atiq、Ivo Lappé、Lukas J. 塞多纳 H. 普莱斯、Pratika Dayal、Adi Zitrin、Vasily Kokorev、John R. 韦弗、加布里埃尔·布拉默、彼得·范·多库姆、克里斯蒂娜·C. 威廉姆斯，萨姆·E. 卡特勒、罗伯特·费尔德曼、Fudamoto Yoshinobu、Jenny E. 格林，乔尔·莱贾，迈克尔·V. 马塞达、亚当·穆津、理查德·潘、凯西·帕波维奇和埃里卡·J. 尼尔森、Themia Nanayakkara 和 Daniel B. 斯塔克、Mauro Stefanone 和 Katherine A. Suss、王冰洁、Catherine E. 惠特克，2024 年 2 月 28 日， 自然。
号码：10.1038/s41586-024-07043-6

天体物理学博士后研究员王宾一 (Bingyi Wang) 是宾夕法尼亚州立大学这项研究的另一位合著者。 已发表的论文中提供了作者及其机构的完整列表。 研究人员感谢法国国家空间研究中心、国家宇宙学和星系计划、CEA、宇宙黎明中心、丹麦国家研究基金会、澳大利亚研究委员会、NOW、罗莎琳德·富兰克林计划的资助和支持。欧盟委员会共同基金和格罗宁根大学。 美国-以色列国家科学基金会、美国国家科学基金会（NSF）、以色列科技部和 黑色实验室它由天文学研究大学联盟根据与 NSF 的合作协议管理。