天文学家发现宇宙早期"超级星系"，挑战现有演化理论
天文学家发现宇宙早期"超级星系"，挑战现有演化理论
亚利桑那大学的天文学家们最近公布了一项令人震惊的发现：他们找到了一个存在于宇宙诞生后不到3亿年时的星系，这个时间点仅占当前宇宙年龄的2%。通过美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜，研究团队发现这个名为JADES-GS-z14-0的星系不仅异常明亮，其化学成分也比预期复杂得多，这一发现挑战了现有的早期星系形成理论。
这张来自美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜的红外图像是由詹姆斯·韦伯太空望远镜高级深空河外星系巡天（JADES）项目的机载近红外相机拍摄的。NIRCam 数据用于确定哪些星系需要通过光谱观测进行进一步研究。其中一个星系 JADES-GS-z14-0（如图所示）的红移被确定为 14.3，使其成为目前已知最远星系的记录保持者。这对应于大爆炸后不到 3 亿年的时间。图片来源：美国宇航局、欧洲航天局、加拿大空间局、STScI、布兰特·罗伯逊（加州大学圣克鲁斯分校）、本·约翰逊（CfA）、桑德罗·塔切拉（剑桥大学）、菲尔·卡吉尔（CfA）
这项研究发表在《自然天文学》杂志上，基于2024年的一项发现，当时JADES-GS-z14-0被确认为有史以来观测到的最遥远星系。新的研究进一步揭示了这个星系的化学组成和演化状态，发现其中存在大量氧气，这表明该星系至少在1亿年前就开始形成恒星，从而推迟了宇宙演化的时间线。
研究团队使用了詹姆斯·韦伯太空望远镜上的多种仪器，包括近红外相机（NIRCam）和中红外仪器（MIRI）。MIRI揭示了JADES-GS-z14-0中大量的氧气，这一发现意味着星系必须很早就开始了恒星形成过程，因为需要一代又一代的恒星演化和超新星爆炸才能产生如此多的氧气。
宇宙的时间线：虽然我们不确定第一批恒星何时开始发光，但我们知道它们一定是在重组时代之后的某个时间形成的，那时氢原子和氦原子形成（大爆炸后 38 万年），并且在已知最古老的星系存在之前（大爆炸后 4 亿年）。第一批恒星发出的紫外线将充满宇宙的中性氢气分解成氢离子和自由电子，开启了再电离时代，结束了宇宙的黑暗时代。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI
亚利桑那大学斯图尔德天文台副研究员凯文·海因莱恩表示，这一发现不仅仅是偶然的意外，而是专门设计的调查中一个令人惊讶的结果。研究的主要作者、斯图尔德天文台研究生雅各布·赫尔顿则指出，由于在天空的一个小区域就发现了这样一个星系，这意味着宇宙中可能还存在更多类似的星系。
此次观测耗时约九天，包括167小时的NIRCam成像和43小时的MIRI成像，重点观测了天空中极小的一部分。阿尔伯塔大学的天文学家很幸运，这个星系恰好位于他们用MIRI观测的最佳位置。赫尔顿形容这个观测区域就像手臂末端一粒沙子在天空中所占的大小。
这一发现为星系形成的理论模型提供了一个有力的试验案例，也为理解宇宙如何从简单元素演变为复杂化学性质提供了关键见解。正如海因莱恩所说：“我们正处于天文学史上一个不可思议的时代，能够了解远远超出人类发现范围的星系，并以多种不同的方式观察它们，真正理解它们。这真的很神奇。”