韋布望遠鏡新發現：直接“看見”星系形成

本文轉自：人民網-科普中國

在2024年5月24日的《科學》雜誌上，有一篇文章探討了在宇宙早期星系中中性原子氫的丰度及其對星系形成的影響。研究團隊利用詹姆斯·韋布太空望遠鏡JWST的近紅外光譜數據，分析了紅移在8以上的12個星系。通過光譜分析，研究者發現其中三個星系表現出強烈的阻尼萊曼α吸收，這個特徵表明這些星系周圍存在大量的中性原子氫。

這三個星系分別位於紅移8.8、10.2和11.4，對應於大爆炸後約4億至6億年，那時宇宙處於138億年總壽命的前3%-4%時期，可以說是很早了。它們的中性氫柱密度達到了10^22 cm^-2，比完全中性的星系際介質高出一個數量級。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徵，測量了它們的紅移和氧丰度，確認了這些星系的星形成速率在1到15個太陽質量每年之間。通過模型擬合，研究者確定了這些星系中的中性氫主要來自星系內部或其近鄰區域，而非來自星系際介質。

研究結果表明，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。這一發現對於理解早期宇宙的星系形成和大規模電離過程具有重要意義。

我們知道，宇宙的形成和演化是一個宏大而複雜的過程，始於大約138億年前的一次稱爲大爆炸的過程。大爆炸理論認爲，宇宙從一個極端高溫、高密度的狀態迅速膨脹，隨後逐漸冷卻並形成了我們今天所見的宇宙結構。在大爆炸後的最初幾分鐘內，基本粒子如質子、中子和電子開始形成，隨後這些粒子結合形成最輕的元素，如氫和氦。

隨着宇宙的繼續膨脹和冷卻，重力作用開始使物質聚集，形成了最早的星系和恆星。這些早期的恆星通過核聚變反應合成了更重的元素，並在其生命末期通過超新星爆發將這些元素散佈到周圍的空間。這些重元素成爲了後續恆星和行星形成的基礎。

星系的形成和演化是宇宙演化的一個關鍵方面。星系通過引力作用不斷吸積周圍的氣體和塵埃，並通過恆星形成和星系合併等過程不斷演化。星系中的恆星形成活動和超新星爆發不僅影響了星系內部的結構和動力學，還對星系際介質產生了重要影響。恆星形成過程中產生的強烈輻射和超新星爆發產生的衝擊波可以加熱和電離星系際介質，甚至將部分氣體驅逐出星系。

此外，暗物質和暗能量在宇宙的形成和演化中也扮演了重要角色。暗物質通過其引力作用促進了物質的聚集，幫助形成了星系和星系團。而暗能量則驅動着宇宙的加速膨脹，影響了宇宙的大尺度結構和演化。

總體而言，宇宙的形成和演化是一個從簡單到複雜、從均勻到結構化的過程。通過對星系、恆星和星系際介質的研究，科學家們不斷揭示出宇宙演化的細節。現代天文學和宇宙學的許多研究都集中在理解這些演化過程及其背後的物理機制，以解答我們對宇宙起源和命運的終極疑問。

這次直接“看見”星系形成的發現具有重大意義，直接“看見”星系的形成不僅驗證了理論模型，豐富了對宇宙早期結構的認識，還推動了天文學技術的發展，併爲未來的研究指明瞭方向。這一發現對科學界理解宇宙的起源和演化具有深遠影響。

通過直接觀測到早期星系的形成，我們可以更好地理解宇宙大爆炸後的早期歷史。研究早期星系的化學成分和恆星形成過程，可以幫助我們瞭解生命形成的條件。生命所需的元素（如碳、氮、氧等）在早期恆星中形成，並通過超新星爆發散佈到星系中。瞭解這些過程有助於回答我們如何從無生命的宇宙演化出生命。對於許多人來說，瞭解宇宙的起源和演化不僅是一個科學問題，也是一個哲學和存在意義的問題。通過探索宇宙的起源和我們自身的起源，我們在試圖回答關於我們存在的更深層次問題：我們從哪裡來，我們爲什麼存在，我們的未來將如何。這些科學發現爲這些哲學思考提供了重要的背景和基礎。

作者：中國科學院國家天文臺研究員苟利軍

審覈：中國科學院國家空間科學中心研究員孫志斌