回顧宇宙黎明——天文學(xué)家證實(shí)了有史以來(lái)最微弱的星系
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一種叫做引力透鏡的現(xiàn)象可以幫助天文學(xué)家觀察昏暗、難以看到的宇宙有史星系。鳴謝:uux.cn/NASA/STScI
（神秘的黎明地球uux.cn）據(jù)《對(duì)話》（圭多·羅伯茨·博爾薩尼）：我們生活的宇宙是透明的，來(lái)自恒星和星系的天文光在清澈黑暗的背景下閃閃發(fā)光。但情況并非總是學(xué)家星系如此——在早期，宇宙充滿了氫原子霧，證實(shí)最微遮住了來(lái)自最早期恒星和星系的回顧光線。
第一代恒星和星系發(fā)出的宇宙有史強(qiáng)烈紫外線被認(rèn)為穿過(guò)了氫霧，將宇宙轉(zhuǎn)變成了我們今天看到的黎明樣子。雖然前幾代望遠(yuǎn)鏡缺乏研究這些早期宇宙物體的天文能力，但天文學(xué)家現(xiàn)在正在使用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的學(xué)家星系先進(jìn)技術(shù)來(lái)研究宇宙大爆炸后立即形成的恒星和星系。
我是證實(shí)最微一名天文學(xué)家，用世界上最先進(jìn)的回顧地基和太空望遠(yuǎn)鏡研究宇宙中最遠(yuǎn)的星系。利用韋伯望遠(yuǎn)鏡的宇宙有史新觀測(cè)結(jié)果和一種叫做引力透鏡的現(xiàn)象，我的黎明團(tuán)隊(duì)證實(shí)了早期宇宙中目前已知的最微弱星系的存在。這個(gè)名為JD1的星系被視為宇宙只有4.8億歲時(shí)的樣子，或其目前年齡的4%。
早期宇宙簡(jiǎn)史
宇宙生命的第一個(gè)十億年是其演化的關(guān)鍵時(shí)期。在大爆炸后的最初時(shí)刻，物質(zhì)和光被束縛在一團(tuán)熾熱、稠密的基本粒子“湯”中。
早期的宇宙充滿了由氫原子組成的霧，直到第一批恒星和星系將它燒掉。鳴謝:uux.cn/美國(guó)宇航局/JPL加州理工學(xué)院，抄送
然而，在大爆炸后的幾分之一秒內(nèi)，宇宙極其迅速地膨脹。這種膨脹最終讓宇宙冷卻到足以讓光和物質(zhì)從它們的“湯”中分離出來(lái)，并在大約38萬(wàn)年后形成氫原子。氫原子表現(xiàn)為星系間的霧氣，沒(méi)有來(lái)自恒星和星系的光，宇宙是黑暗的。這一時(shí)期被稱為宇宙黑暗時(shí)代。
大爆炸數(shù)億年后，第一代恒星和星系的到來(lái)使宇宙沐浴在極熱的紫外光中，這種紫外光燃燒或電離了氫霧。這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生了我們今天看到的透明、復(fù)雜而美麗的宇宙。
像我一樣的天文學(xué)家稱宇宙的第一個(gè)十億年——當(dāng)氫霧逐漸消失的時(shí)候——為再電離時(shí)期。為了充分了解這一時(shí)期，我們研究了第一批恒星和星系形成的時(shí)間，它們的主要屬性是什么，以及它們是否能夠產(chǎn)生足夠的紫外光來(lái)燃燒所有的氫。
尋找早期宇宙中的暗淡星系
理解再電離時(shí)代的第一步是找到并確認(rèn)天文學(xué)家認(rèn)為可能導(dǎo)致這一過(guò)程的星系距離。由于光以有限的速度傳播，到達(dá)我們的望遠(yuǎn)鏡需要時(shí)間，所以天文學(xué)家看到的物體就像過(guò)去一樣。
例如，來(lái)自我們銀河系中心的光需要大約27，000年才能到達(dá)地球上的我們，所以我們看到它是在27，000年前。這意味著，如果我們想回溯到大爆炸后的最初瞬間(宇宙已經(jīng)有138億年了)，我們必須尋找極遠(yuǎn)距離的物體。
因?yàn)榫幼≡谶@個(gè)時(shí)期的星系是如此的遙遠(yuǎn)，所以對(duì)于我們的望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，它們顯得非常的微弱和渺小，并且發(fā)出的大部分光線都是紅外線。這意味著天文學(xué)家需要像韋伯這樣強(qiáng)大的紅外望遠(yuǎn)鏡來(lái)發(fā)現(xiàn)它們。在韋伯之前，幾乎所有天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的遙遠(yuǎn)星系都異常明亮和巨大，這僅僅是因?yàn)槲覀兊耐h(yuǎn)鏡不夠靈敏，無(wú)法看到更暗、更小的星系。
然而，后者人數(shù)更多，更有代表性，可能是再電離過(guò)程的主要驅(qū)動(dòng)力，而不是光明的人。因此，這些暗淡的星系是天文學(xué)家需要更詳細(xì)研究的。這就像試圖通過(guò)研究整個(gè)人群而不是幾個(gè)非常高的人來(lái)理解人類的進(jìn)化。通過(guò)讓我們看到暗淡的星系，韋伯打開了研究早期宇宙的新窗口。
布滿星系和一些星星的天空。JD1，在放大的盒子里，是在早期宇宙中發(fā)現(xiàn)的最微弱的星系。鳴謝:uux.cn/吉多·羅伯茨-博爾薩尼/加州大學(xué)洛杉磯分校；原始圖像:美國(guó)航天局，歐空局，加空局，史文朋技術(shù)大學(xué)，匹茲堡大學(xué)，STScI
一個(gè)典型的早期星系
JD1就是這樣一個(gè)“典型”的暗淡星系。它是2014年由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的一個(gè)可疑的遙遠(yuǎn)星系。但是哈勃沒(méi)有能力或靈敏度來(lái)確定它的距離——它只能做出一個(gè)有根據(jù)的猜測(cè)。
附近又小又暗的星系有時(shí)會(huì)被誤認(rèn)為是遙遠(yuǎn)的星系，所以天文學(xué)家需要先確定它們的距離，然后才能對(duì)它們的性質(zhì)做出判斷。因此，遙遠(yuǎn)的星系在被確認(rèn)之前仍然是“候選者”。韋伯望遠(yuǎn)鏡最終有能力證實(shí)這些，JD1是韋伯對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的一個(gè)極其遙遠(yuǎn)的候選星系的第一次主要證實(shí)之一。這一確認(rèn)將它列為早期宇宙中迄今所見的最微弱的星系。
為了證實(shí)JD1，我和一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家小組使用韋伯的近紅外光譜儀NIRSpec獲得了該星系的紅外光譜。光譜使我們能夠精確定位離地球的距離，確定它的年齡，它形成的年輕恒星的數(shù)量以及它產(chǎn)生的塵埃和重元素的數(shù)量。
引力透鏡，大自然的放大鏡
即使對(duì)韋伯來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)有大自然的幫助，也不可能看到JD1。JD1位于附近一個(gè)名為Abell 2744的大型星系團(tuán)后面，其綜合引力強(qiáng)度彎曲并放大了JD1發(fā)出的光。這種效應(yīng)被稱為引力透鏡效應(yīng)，它使得JD1看起來(lái)更大，亮度是平常的13倍。
如果沒(méi)有引力透鏡，天文學(xué)家將不會(huì)看到JD1，即使有韋伯。JD1的引力放大和來(lái)自韋伯另一臺(tái)近紅外儀器NIRCam的新圖像相結(jié)合，使我們的團(tuán)隊(duì)有可能以前所未有的細(xì)節(jié)和分辨率研究星系的結(jié)構(gòu)。
這不僅意味著我們作為天文學(xué)家可以研究早期星系的內(nèi)部區(qū)域，還意味著我們可以開始確定這些早期星系是否是小型、致密和孤立的來(lái)源，或者它們是否正在與附近的星系合并和相互作用。通過(guò)研究這些星系，我們可以追溯到塑造宇宙和孕育我們宇宙家園的基石。