韋布望遠(yuǎn)鏡新發(fā)現(xiàn)：直接“看見(jiàn)”星系形成

在2024年5月24日的《科學(xué)》雜志上，有一篇文章探討了在宇宙早期星系中中性原子氫的豐度及其對(duì)星系形成的影響。研究團(tuán)隊(duì)利用詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡JWST的近紅外光譜數(shù)據(jù)，分析了紅移在8以上的12個(gè)星系。通過(guò)光譜分析，研究者發(fā)現(xiàn)其中三個(gè)星系表現(xiàn)出強(qiáng)烈的阻尼萊曼α吸收，這個(gè)特征表明這些星系周圍存在大量的中性原子氫。

這三個(gè)星系分別位于紅移8.8、10.2和11.4，對(duì)應(yīng)于大爆炸后約4億至6億年，那時(shí)宇宙處于138億年總壽命的前3%-4%時(shí)期?？梢哉f(shuō)是很早了。它們的中性氫柱密度達(dá)到了10^22 cm^-2，比完全中性的星系際介質(zhì)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。這表明這些年輕的星系中存在豐富的氣體，且這些氣體是星系形成的原材料。

文章還探討了這些星系的光譜特征，測(cè)量了它們的紅移和氧豐度，確認(rèn)了這些星系的星形成速率在1到15個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量每年之間。通過(guò)模型擬合，研究者確定了這些星系中的中性氫主要來(lái)自星系內(nèi)部或其近鄰區(qū)域，而非來(lái)自星系際介質(zhì)。

研究結(jié)果表明，早期宇宙中的星系周圍存在大量的中性氫，這些氫氣體對(duì)電離光子具有高度遮蔽作用，從而影響了星系的電離輻射逃逸率。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解早期宇宙的星系形成和大規(guī)模電離過(guò)程具有重要意義。

我們知道，宇宙的形成和演化是一個(gè)宏大而復(fù)雜的過(guò)程，始于大約138億年前的一次稱為大爆炸的過(guò)程。大爆炸理論認(rèn)為，宇宙從一個(gè)極端高溫、高密度的狀態(tài)迅速膨脹，隨后逐漸冷卻并形成了我們今天所見(jiàn)的宇宙結(jié)構(gòu)。在大爆炸后的最初幾分鐘內(nèi)，基本粒子如質(zhì)子、中子和電子開(kāi)始形成，隨后這些粒子結(jié)合形成最輕的元素，如氫和氦。

隨著宇宙的繼續(xù)膨脹和冷卻，重力作用開(kāi)始使物質(zhì)聚集，形成了最早的星系和恒星。這些早期的恒星通過(guò)核聚變反應(yīng)合成了更重的元素，并在其生命末期通過(guò)超新星爆發(fā)將這些元素散布到周圍的空間。這些重元素成為了后續(xù)恒星和行星形成的基礎(chǔ)。

星系的形成和演化是宇宙演化的一個(gè)關(guān)鍵方面。星系通過(guò)引力作用不斷吸積周圍的氣體和塵埃，并通過(guò)恒星形成和星系合并等過(guò)程不斷演化。星系中的恒星形成活動(dòng)和超新星爆發(fā)不僅影響了星系內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)，還對(duì)星系際介質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。恒星形成過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈輻射和超新星爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊波可以加熱和電離星系際介質(zhì)，甚至將部分氣體驅(qū)逐出星系。

此外，暗物質(zhì)和暗能量在宇宙的形成和演化中也扮演了重要角色。暗物質(zhì)通過(guò)其引力作用促進(jìn)了物質(zhì)的聚集，幫助形成了星系和星系團(tuán)。而暗能量則驅(qū)動(dòng)著宇宙的加速膨脹，影響了宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)和演化。

總體而言，宇宙的形成和演化是一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從均勻到結(jié)構(gòu)化的過(guò)程。通過(guò)對(duì)星系、恒星和星系際介質(zhì)的研究，科學(xué)家們不斷揭示出宇宙演化的細(xì)節(jié)?，F(xiàn)代天文學(xué)和宇宙學(xué)的許多研究都集中在理解這些演化過(guò)程及其背后的物理機(jī)制，以解答我們對(duì)宇宙起源和命運(yùn)的終極疑問(wèn)。

這次直接“看見(jiàn)”星系形成的發(fā)現(xiàn)具有重大意義，直接“看見(jiàn)”星系的形成不僅驗(yàn)證了理論模型，豐富了對(duì)宇宙早期結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，還推動(dòng)了天文學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并為未來(lái)的研究指明了方向。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)科學(xué)界理解宇宙的起源和演化具有深遠(yuǎn)影響。

通過(guò)直接觀測(cè)到早期星系的形成，我們可以更好地理解宇宙大爆炸后的早期歷史。研究早期星系的化學(xué)成分和恒星形成過(guò)程，可以幫助我們了解生命形成的條件。生命所需的元素（如碳、氮、氧等）在早期恒星中形成，并通過(guò)超新星爆發(fā)散布到星系中。了解這些過(guò)程有助于回答我們?nèi)绾螐臒o(wú)生命的宇宙演化出生命。對(duì)于許多人來(lái)說(shuō)，了解宇宙的起源和演化不僅是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題，也是一個(gè)哲學(xué)和存在意義的問(wèn)題。通過(guò)探索宇宙的起源和我們自身的起源，我們?cè)谠噲D回答關(guān)于我們存在的更深層次問(wèn)題：我們從哪里來(lái)，我們?yōu)槭裁创嬖?，我們的未?lái)將如何。這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)為這些哲學(xué)思考提供了重要的背景和基礎(chǔ)。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：茍利軍 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 研究員

審核：孫志斌 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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