NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜证明星系改变了早期宇宙

通过分析NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜的新观测结果，瑞士苏黎世联邦理工学院的西蒙·莉莉领导的一个团队发现了证据，证明大爆炸后9亿年存在的星系电离了它们周围的气体，使其变得透明。他们还用韦伯望远镜精确测量了星系周围的气体，确定了这些小星系周围电离气体的“气泡”半径为200万光年。在接下来的一亿年里，气泡变得越来越大，最终融合在一起，使整个宇宙变得透明。
影像来源： NASA, ESA, CSA, Simon Lilly (苏黎世联邦理工学院), Daichi Kashino (名古屋大学), Jorryt Matthee (苏黎世联邦理工学院), Christina Eilers (麻省理工学院), Rob Simcoe (麻省理工学院), Rongmon Bordoloi (北卡罗来纳州立大学), Ruari Mackenzie (苏黎世联邦理工学院); 影像处理: Alyssa Pagan (太空望远镜科学研究所) Ruari Macken

在早期宇宙中，恒星和星系之间的气体是不透明的——高能的星光无法穿透它。但是在宇宙大爆炸10亿年后，这种气体变得完全透明。为什么？NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜的新数据已经确定了原因：星系的恒星发出足够的光来加热和电离它们周围的气体，在数亿年的时间里，我们的视野变得清晰起来。

瑞士苏黎世联邦理工学院的西蒙·莉莉领导的研究团队得出的结果，是对宇宙经历巨大变化的再电离时代的最新认识。大爆炸后，宇宙中的气体温度极高，密度极大。经过数亿年，气体冷却了。然后，宇宙开始“重复”。气体再次变热并电离——可能是由于星系中早期恒星的形成，经过数百万年，气体变得透明。

长期以来，研究人员一直在寻找确凿的证据来解释这些转变。新的结果有效地揭开了这一再电离期结束时的帷幕。该团队第一篇论文的主要作者、日本名古屋大学的柏野大地解释说:“韦伯不仅清楚地表明这些透明区域存在于星系周围，而且我们还测量了它们的大小。”“通过韦伯的数据，我们看到星系将它们周围的气体重新电离。”

长期以来，研究人员一直在寻找确凿的证据来解释这些转变。新的结果有效地揭开了这一再电离期结束时的帷幕。“韦伯不仅清楚地表明这些透明区域存在于星系周围，而且我们还测量了它们的大小。”该团队第一篇论文的主要作者、日本名古屋大学的柏野大地解释说。“通过韦伯的数据，我们看到星系将它们周围的气体重新电离。”

这些透明的气体区域与星系相比十分巨大——想象一下，一个热气球里悬挂着一颗豌豆。韦伯的数据显示，这些相对较小的星系推动了再电离，清理了它们周围的大面积空间。在接下来的一亿年里，这些透明的“气泡”继续变得越来越大，最终合并并导致整个宇宙变得透明。

130多亿年前，在再电离时代，宇宙是一个非常不同的地方。星系之间的气体对高能光来说基本上是不透明的，这使得观察年轻星系变得困难。是什么让宇宙完全电离，导致今天在宇宙的大部分地区都能探测到的“清晰”条件？研究人员使用NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜发现，星系是造成这种现象的主要原因。
影像来源：NASA, ESA, CSA, Joyce Kang (STScI)

莉莉的团队有意将目标锁定在再电离时代结束之前的某个时间，那时宇宙还不太清晰，也不太不透明——它包含各种状态的气体。科学家将韦伯对准了一个类星体的方向——一个极其明亮的活跃超大质量黑洞，就像一个巨大的手电筒——照亮了类星体和我们望远镜之间的气体。。(在这个视图的中心找到它：它很小，呈粉红色，有六个突出的衍射尖峰。)

当类星体的光穿过不同的气体块向我们传播时，它要么被不透明的气体吸收，要么自由地穿过透明的气体。该团队的突破性结果只有通过将韦伯的数据与夏威夷的W. M.凯克天文台以及欧洲南方天文台的甚大望远镜和拉斯坎帕纳斯天文台的麦哲伦望远镜（都位于智利）对中心类星体的观测相结合，才能实现。“通过照亮我们视线范围内的气体，类星体为我们提供了有关气体成分和状态的大量信息。”麻省理工学院的安娜-克里斯蒂娜·埃勒斯解释说，她是另一篇研究团队论文的主要作者。

研究人员随后使用韦伯识别了这条视线附近的星系，并表明这些星系通常被半径约200万光年的透明区域所包围。换句话说，韦伯目睹了星系在再电离时代结束时清理周围空间的过程。从这个角度来看，这些星系清理的区域大约相当于我们银河系和我们最近的邻居仙女座星系之间的距离。

直到现在，研究人员还没有明确的证据证明是什么导致了再电离——在韦伯之前，他们还不能确定是什么导致了再电离。

这些星系长什么样？“它们比附近宇宙中的更混乱，”同样来自苏黎世联邦理工学院的乔里特·马修解释道，他是该团队第二篇论文的主要作者。““韦伯表明它们正在积极地形成恒星，并且一定发射了许多超新星。他们年轻时很有冒险精神！”

NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜已经传回了宇宙只有9亿岁时存在的星系的非常详细的近红外图像，包括从未见过的结构。这些遥远的星系是块状，通常是细长的，并且正在积极地形成恒星。
影像来源： NASA, ESA, CSA, Simon Lilly (苏黎世联邦理工学院), Daichi Kashino (名古屋大学), Jorryt Matthee (苏黎世联邦理工学院), Christina Eilers (麻省理工学院), Rob Simcoe (麻省理工学院), Rongmon Bordoloi (北卡罗来纳州立大学), Ruari Mackenzie (苏黎世联邦理工学院); 影像处理: Alyssa Pagan (太空望远镜科学研究所) Ruari Macken

在此过程中，埃勒斯利用韦伯的数据证实，该区域中心类星体中的黑洞是目前已知的早期宇宙中质量最大的黑洞，其质量是太阳质量的100亿倍。“我们仍然无法解释类星体是如何在宇宙历史的早期变得如此之巨大。”她分享道。“那是另一个要解决的谜题！”韦伯望远镜拍摄的精美图像也没有显示类星体发出的光受到引力透镜的影响，这确保了质量测量的确定性。

该团队将很快在另外五个领域深入研究星系，每个领域都以一个中心类星体为基础。韦伯从第一个领域获得的结果非常明确，以至于他们迫不及待地想要分享这些结果。“我们希望能识别出在再电离时代存在的几十个星系，但很容易就能挑出117个。”卡希诺解释说。“韦伯超出了我们的预期。”

莉莉的研究团队，发射谱线星系和再电离时代的星系间气体（EIGER），已经展示了将韦伯的NIRCam（近红外相机）的传统图像与同一仪器的宽视场无缝隙光谱模式的数据相结合的独特能力，该模式给出了图像中每个物体的光谱——将韦伯变成了团队所说的“壮观的光谱红移机器”。

该团队的第一批出版物包括由柏野大地领导的“EIGER I，一个在5.3 < z < 6.9的[O iii]发射星系的大样本和星系局部再电离的直接证据”；由马修领导的“EIGER II，首次用JWST对z=5–7星系中与强Hβ和[OII]线发射相关的年轻恒星和电离气体进行光谱表征；由Eilers领导的“EIGER III，超高红移类星体J0100+2802的JWST/NIRCam观测”；将发表在6月12日的《天体物理学杂志》上。

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。

参考来源：
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/nasa-s-webb-proves-galaxies-transformed-the-early-universe