詹姆斯·韦伯望远镜显示，早期宇宙伴随着恒星形成的爆发而破裂
这张来自NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的红外图像是为JWST高级深星系外巡天（JADES）项目拍摄。它显示了被称为GOODS-South的一部分区域，哈勃太空望远镜和其他天文台已经对其进行了深入研究。这里可以看到超过45,000多个星系。
影像来源: NASA, ESA, CSA, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (University of Arizona), Daniel Eisenstein (CfA). 影像处理: Alyssa Pagan (STScI)
天文学中最基本的问题之一是：第一批恒星和星系是如何形成的？NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜已经为这个问题提供了新的见解。韦伯第一年最大的项目之一是JWST高级深星系外巡天（JADES）项目，它将花费大约32天的望远镜时间来发现和表征微弱的遥远星系。虽然数据还在不断收集，但JADES已经发现了数百个宇宙诞生不到6亿年时就存在的星系。该团队还发现了由大量年轻炽热恒星组成的星系。
“通过JADES，我们想要回答很多问题，比如：最早的星系是如何聚集在一起的？它们形成恒星的速度有多快？为什么有些星系会停止形成恒星？”JADES项目的联合负责人、图森市亚利桑那大学的玛西娅·里克说。
恒星工厂
德克萨斯大学奥斯汀分校的瑞恩·恩兹利领导了一项对宇宙大爆炸后5亿到8.5亿年间存在的星系的研究。这是一个被称为再电离时代的关键时期。在大爆炸后的几亿年里，宇宙充满了气态雾，使得高能光线无法穿透。到大爆炸后的十亿年，气态雾消散，宇宙变得透明，这一过程被称为再电离。科学家们一直在争论活跃的超大质量黑洞或充满炽热年轻恒星的星系是否是再电离的主要原因。
作为JADES计划的一部分，恩兹利和他的同事用韦伯的NIRSpec（近红外光谱仪）仪器研究了这些星系，以寻找恒星形成的迹象，并发现了大量的恒星。“我们发现的几乎每一个星系都显示出这些异常强烈的发射谱线信号，表明最近有密集的恒星形成。这些早期星系非常善于制造炽热的大质量恒星。”恩兹利说。
这些明亮的大质量恒星会释放出大量的紫外光，通过电离原子，从原子核中移除电子，将周围的气体从不透明转变为透明。由于这些早期星系有大量的炽热、大质量的恒星，它们可能是再电离过程的主要驱动力。随后电子和原子核的重新结合产生了独特而强发射谱线。
恩兹利和他的同事们还发现了证据，表明这些年轻的星系经历了恒星快速形成的时期，其间穿插着恒星形成较少的平静期。当星系捕获了形成恒星所需的气态原料团时，可能就发生了这种时断时续的现象。另一种解释是，由于大质量恒星会迅速爆炸，它们可能会周期性地向周围环境注入能量，从而阻止气体凝结形成新的恒星。
揭示早期宇宙
JADES计划的另一项内容是寻找宇宙诞生不到4亿年时最早存在的星系。通过研究这些星系，天文学家可以探索大爆炸后早期的恒星形成与现在所看到的有何不同。由于宇宙的膨胀，来自遥远星系的光被拉伸成更长的波长和更红的颜色——这种现象被称为红移。通过测量一个星系的红移，天文学家可以知道它离我们有多远，从而知道它在早期宇宙中存在的时间。在韦伯之前，只有几十个星系被观测到红移超过8，当时宇宙的年龄还不到6.5亿年，但JADES现在已经发现了近1,000个这样极其遥远的星系。
确定红移的黄金标准包括观察星系的光谱，这可以测量其在无数密集波长下的亮度。但是，一个好的近似值可以通过使用滤镜拍摄一个星系的照片来确定，每个滤光器覆盖一个窄带的颜色，以获得少量的亮度测量值。通过这种方式，研究人员可以同时确定数千个星系的距离估计值。
图森亚利桑那大学的凯文·海恩林和他的同事们使用韦伯的NIRSpec（近红外光谱仪）仪器获得了这些测量数据，称为光度红移，并确定了700多个候选星系，这些星系存在于宇宙在3.7亿到6.5亿年之间。这些星系的绝对数量远远超出了韦伯发射前的观测预测。天文台高超的分辨率和灵敏度使天文学家能够比以往更好地观察这些遥远的星系。
“以前，我们能看到的最早的星系看起来只是一些小斑点。然而这些斑点代表了宇宙开始时数百万甚至数十亿颗恒星。”海恩林说。“现在，我们可以看到其中一些实际上是具有可见结构的扩展对象。我们可以看到恒星群在时间开始后仅仅几亿年就诞生了。”
“我们发现早期宇宙中的恒星形成比我们想象的要复杂得多。”里克补充说。
这些结果将在新墨西哥州阿尔伯克基举行的第242届美国天文学会会议上发表。
詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学观测站。韦伯将解开我们太阳系中的谜团，展望其他恒星周围的遥远世界，探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。韦伯是由NASA及其合作伙伴欧洲航天局和加拿大航天局领导的一个国际项目。
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