回到宇宙的黎明——天文学家证实了有史以来最暗淡的星系

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

一种称为引力透镜的现象可以帮助天文学家观察微弱的，难以看到的星系。图片来源：NASA/STScI

我们生活的宇宙是一个透明的宇宙，来自恒星和星系的光在清晰黑暗的背景下闪耀着明亮的光芒。但情况并非总是如此——在早期，宇宙充满了氢原子的雾气，遮挡了来自最早恒星和星系的光线。

来自第一代恒星和星系的强烈紫外线被认为已经烧穿了氢雾，将宇宙变成了我们今天看到的样子。虽然前几代望远镜缺乏研究这些早期宇宙物体的能力，但天文学家现在正在使用詹姆斯韦伯太空望远镜的卓越技术来研究大爆炸后立即形成的恒星和星系。

我是一名天文学家，使用世界上最重要的地面和太空望远镜研究宇宙中最远的星系。利用韦伯望远镜的新观测和一种称为引力透镜的现象，我的团队证实了早期宇宙中目前已知的最暗淡星系的存在。这个被称为JD1的星系被看作是宇宙只有4.8亿年的历史，占现在年龄的4%。

早期宇宙简史

宇宙生命的最初十亿年是其演化的关键时期。在大爆炸后的最初时刻，物质和光在炽热、密集的基本粒子“汤”中相互结合。

早期的宇宙充满了由氢原子组成的雾，直到第一批恒星和星系将其烧毁。图片来源：NASA/JPL-Caltech，CC BY

然而，在大爆炸后的几分之一秒，宇宙膨胀得非常快。这种膨胀最终使宇宙冷却到足以让光和物质从它们的“汤”中分离出来，并在大约38万年后形成氢原子。氢原子以星际雾的形式出现，没有来自恒星和星系的光，宇宙是黑暗的。这一时期被称为宇宙黑暗时代。

大爆炸后几亿年，第一代恒星和星系的到来使宇宙沐浴在极热的紫外线中，紫外线燃烧或电离了氢雾。这个过程产生了我们今天看到的透明、复杂和美丽的宇宙。

像我这样的天文学家将宇宙的第一个十亿年——当这种氢雾燃烧起来的时候——称为再电离时代。为了充分了解这一时期，我们研究了第一批恒星和星系何时形成，它们的主要特性是什么，以及它们是否能够产生足够的紫外线来燃烧所有的氢。

在早期宇宙中寻找微弱的星系 显示“再电离”时代紫外线燃烧氢雾的视觉模型。电离或烧焦区域为蓝色和半透明。电离前沿是红色和白色，中性区域是黑暗和不透明的。资料来源：djxatlanta on Youtube

了解再电离时代的第一步是找到并确认天文学家认为可能导致这一过程的星系距离。由于光以有限的速度传播，到达我们的望远镜需要时间，因此天文学家看到的物体就像过去一样。

例如，来自我们银河系中心的光大约需要27，000年才能到达地球上，所以我们看到它就像过去27，000年一样。这意味着，如果我们想回到大爆炸后的第一个时刻（宇宙有138亿年的历史），我们必须在极远的距离寻找物体。

由于居住在这个时间段的星系非常遥远，因此它们在我们的望远镜中显得非常微弱和小，并且大部分光线都在红外线中发射。这意味着天文学家需要像韦伯这样强大的红外望远镜来找到它们。在韦伯之前，天文学家发现的几乎所有遥远星系都非常明亮和巨大，仅仅是因为我们的望远镜不够灵敏，无法看到更暗淡、更小的星系。

然而，后者的数量要多得多，更具代表性，并且可能是再电离过程的主要驱动力，而不是光明的人群。因此，这些微弱的星系是天文学家需要更详细地研究的星系。这就像试图通过研究整个种群而不是几个非常高的人来理解人类的进化。通过让我们看到微弱的星系，韦伯为研究早期宇宙打开了一扇新窗口。

满是星系和几颗星星的天空。JD1，在一个放大的框中，是早期宇宙中发现的最暗的星系。资料来源：圭多·罗伯茨-博尔萨尼/加州大学洛杉矶分校;原始图片：NASA，ESA，CSA，斯威本科技大学，匹兹堡大学，STScI

典型的早期星系

JD1就是这样一个“典型”的暗淡星系。它是在2014年与哈勃太空望远镜一起发现的，是一个可疑的遥远星系。但哈勃望远镜没有能力或灵敏度来确认它的距离——它只能做出有根据的猜测。

附近小而微弱的星系有时会被误认为是遥远的星系，因此天文学家需要确定它们的距离，然后才能对它们的特性做出声明。因此，遥远的星系在被确认之前仍然是“候选者”。韦伯望远镜终于有能力确认这些，JD1是韦伯对哈勃发现的极其遥远的星系候选者的首批重大确认之一。这一确认将其列为早期宇宙中最暗的星系。

为了确认JD1，我和一组国际天文学家使用韦伯的近红外光谱仪NIRSpec获得了星系的红外光谱。光谱使我们能够确定与地球的距离，并确定它的年龄，它形成的年轻恒星的数量以及它产生的尘埃和重元素的数量。 大星系可以扭曲和扭曲围绕它们传播的光线。这段视频展示了这个过程，称为引力透镜，是如何工作的。

引力透镜，大自然的放大镜

即使对于韦伯来说，如果没有大自然的帮助，JD1也是不可能看到的。JD1位于附近一个大型星系团的后面，称为Abell 2744，其组合引力强度弯曲并放大了JD1的光。这种效应被称为引力透镜，使JD1看起来比平时更大，亮度高13倍。

如果没有引力透镜，天文学家就不会看到JD1，即使有韦伯。JD1的引力放大倍率与韦伯的另一个近红外仪器NIRCam的新图像相结合，使我们的团队能够以前所未有的细节和分辨率研究星系的结构。

这不仅意味着我们作为天文学家可以研究早期星系的内部区域，还意味着我们可以开始确定这些早期星系是否是小的，紧凑的和孤立的来源，或者它们是否正在与附近的星系合并和相互作用。通过研究这些星系，我们正在追溯塑造宇宙并产生我们宇宙家园的基石。

本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文。

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原标题：《『回到宇宙的黎明——天文学家证实了有史以来最暗淡的星系》

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