當(dāng)宇宙只有3億歲時，第一批恒星已經(jīng)開始凋零

去年，詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡（JWST）拍攝的照片上，一個毫不起眼的小紅點 成為天文學(xué)界的網(wǎng)紅。因為這個 編號為 JADES-GS-z14-0 的目標(biāo) 是迄今人類已知最遙遠(yuǎn)的天體之一，它的光經(jīng)過了 134 億年才映入我們的眼簾。這也是被人們寄予厚望的詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡在軌觀測第一年所取得的最重要的成果之一。它已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個誕生于宇宙大爆炸后 6 億年里的早期星系。

詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡近紅外相機(jī)拍攝的 JADES-GS-z14-0 的圖像 | Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA)

除了刷新最遙遠(yuǎn)星系的紀(jì)錄以外，JADES-GS-z14-0 更讓人感到興奮的一點在于，在如此遙遠(yuǎn)的距離上，我們居然還能看見它。這就意味著這個星系本身一定是非常明亮的。從圖像中測量得到光源的直徑超過 1600 光年，這說明我們看到的光主要來自年輕的恒星，而不是來自星系中心的超大質(zhì)量黑洞周圍。而且，這個亮度暗示著該星系的質(zhì)量是太陽的數(shù)億倍！那么問題就來了：當(dāng)宇宙還是一個只有 3 億多歲的嬰兒，如此明亮而巨大的星系又是如何誕生的呢？

事情還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒那么簡單。來自兩個不同的天文研究團(tuán)隊最近又在 JADES-GS-z14-0 星系中探測到氧元素，可以說這再次超出了天文學(xué)家的想象。

兩個光譜是兩組天文學(xué)家對 ALMA 數(shù)據(jù)進(jìn)行獨立分析的結(jié)果。兩者都在 JADES-GS-z14-0 星系中發(fā)現(xiàn)了一條氧的發(fā)射線。這是最遙遠(yuǎn)的氧元素的信號，當(dāng)時宇宙只有 3 億多年的歷史。| Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Carniani et al./S. Schouws et al/JWST: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA)

宇宙大爆炸產(chǎn)生了 75% 的氫和 25% 的氦，還有一些少量的鋰。因此在天文學(xué)里，把比氦重的元素都稱為重元素。那么像氧這樣的重元素從何而來呢？只能是在恒星內(nèi)部核聚變產(chǎn)生，并在恒星死亡后被拋撒到星系當(dāng)中。天文學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為，大爆炸后僅3億年的宇宙實在太年輕了，不足以產(chǎn)生富含重元素的星系。但是，兩項研究不謀而合，得出了相同的結(jié)論，JADES-GS-z14-0 的重元素含量比預(yù)期的多約 10 倍。換句話說，星系的形成速度比預(yù)期的要快得多。

一直以來，天文學(xué)家都希望能夠找到宇宙中的第一批恒星或第一批星系。 JADES-GS-z14-0 星系或許就是我們苦苦追尋的第一批星系。然而從我們觀測到的結(jié)果看，當(dāng)宇宙只有 3 億多歲的時候，第一批星系中至少有部分第一批恒星已經(jīng)開始凋零，貢獻(xiàn)了大量的重元素。

對 JADES-GS-z14-0 星系的藝術(shù)想象 | Credit: ESO/M. Kornmesser

要感謝位于智利的 ALMA 射電望遠(yuǎn)鏡陣列，它以無與倫比的觀測精度為我們提供了早期星系的重要信息。這也是空間和地面、光學(xué)與射電兩件探索宇宙大殺器之間的一次完美的夢幻聯(lián)動。

參考資料

[1] Oxygen discovered in most distant known galaxy ( https://www.eso.org/public/news/eso2507/)

[2] NASA’s James Webb Space Telescope Finds Most Distant Known Galaxy ( https://science.nasa.gov/blogs/webb/2024/05/30/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy/)