在过去的两年中，科学家们利用美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜(也称为韦伯或 JWST)探索了天文学家所说的宇宙黎明——大爆炸后最初几亿年中第一批星系诞生的时期。这些星系为了解宇宙非常年轻时气体、恒星和黑洞的变化方式提供了重要的见解。2023 年 10 月和 2024 年 1 月，一个国际天文学家团队使用韦伯望远镜观察星系，这是 JWST 高级深空河外巡天 (JADES) 计划的一部分。利用韦伯的 NIRSpec(近透视 光谱仪)，他们获得了一个破纪录星系的光谱，该星系是在大爆炸后仅 2.9 亿年就被观测到的。这相当于红移约 14，这是衡量星系光因宇宙膨胀而被拉伸的程度的指标。我们邀请了意大利比萨高等师范学校的 Stefano Carniani 和亚利桑那州图森亚利桑那大学的 Kevin Hainline 来向我们详细介绍如何发现这个源头，以及它的独特性质对星系形成有何启示。
“韦伯太空望远镜上的仪器旨在发现和了解最早的星系，在作为詹姆斯韦伯太空望远镜高级深层河外星系巡天 (JADES) 的一部分进行观测的第一年，我们发现了 数百个 来自大爆炸后 6.5 亿年的候选星系。 2023 年初，我们在数据中发现了一个星系，有强有力的证据表明它的 红移超过 14，这非常令人兴奋，但该星系源的一些特性让我们感到惕。该星系源出奇地明亮，这是我们无法预料到的如此遥远的星系，而且它离另一个星系非常近，以至于这两个星系看起来像是一个更大物体的一部分。当我们在 2023 年 10 月作为 JADES 起源场的一部分再次观测该星系源时，使用韦伯更窄的 NIRCam(近透视 相机)滤光片获得的新图像数据更加指向高红移假说。我们知道我们需要一个光谱，因为无论我们学到什么都将具有巨大的科学意义，要么作为韦伯对早期宇宙研究的新里程碑，要么作为一个令人困惑的中年星系怪异现象。
“2024 年 1 月，NIRSpec 对 JADES-GS-z14-0 星系进行了近 10 个小时的观测，在首次处理光谱时，有明确的证据表明该星系的红移确实为 14.32，打破了之前最遥远的星系记录(JADES-GS-z13-0 的 z = 13.2)。鉴于围绕着光源的神秘性，看到这个光谱让整个团队感到非常兴奋。这一发现不仅仅是我们团队的距离新记录;JADES-GS-z14-0 最重要的方面是，我们知道在这个距离下，这个星系本质上一定非常 明亮 。从图像中可以看出，光源的宽度超过 1,600 光年，证明我们看到的光主要来自年轻恒星，而不是来自正在增长的超大质量黑洞附近的发射。如此多的星光意味着该星系的质量是太阳的几亿倍!这引出了一个问题：大自然如何在不到 3 亿年的时间里形成如此明亮、巨大和庞大的星系?
“数据揭示了这个惊人星系的其他重要方面。我们看到星系的颜色并不像它应该的那样蓝，这表明即使在非常早期，一些光线也被尘埃弄红了。斯图尔德天文台和亚利桑那大学的 JADES 研究员 Jake Helton 还发现，韦伯的 MIRI(中透视 仪器)在较长的波长下探测到了 JADES-GS-z14-0，考虑到它的距离，这是一个了不起的成就。MIRI 观测涵盖了可见光范围内发射的光的波长，这些波长的红移超出了韦伯近透视 仪器的范围。Jake 的分析表明，MIRI 观测暗示的光源亮度高于其他韦伯仪器测量结果推断出的亮度，表明星系中存在强烈的电离气体发射，形式为氢和氧的明亮发射线。在这个星系生命早期就存在氧气是一个令人惊讶的事情，这表明在我们观察这个星系之前，已经有多代质量巨大的恒星诞生了。
“所有这些观测结果共同告诉我们，JADES-GS-z14-0 并不像理论模型和计算机模拟所预测的存在于极早期宇宙中的星系类型。根据观测到的光源亮度，我们可以预测它在宇宙时间中会如何增长，到目前为止，我们还没有在我们调查中观测到的数百个高红移星系中找到任何合适的类似物。考虑到我们搜索 JADES-GS-z14-0 的天空区域相对较小，它的发现对于预测我们在早期宇宙中看到的明亮星系数量具有深远的影响，正如另一项同时进行的 JADES 研究(Robertson 等人，最近被接受)中所讨论的那样。在未来十年内，天文学家很可能会利用韦伯望远镜发现许多这样的明亮星系，甚至可能在更早的时候。我们很高兴看到宇宙黎明时期存在的星系的多样性!”
