天文學家確認已知宇宙中最暗的星系

我們生活的宇宙是一個透明的宇宙，來自恒星和星系的光在清晰黑暗的背景下閃耀著明亮的光芒。

但情況并非總是如此——在早期，宇宙充滿了氫原子的霧氣，遮擋了來自最早恒星和星系的光線。

來自第一代恒星和星系的強烈紫外線被認為已經燒穿了氫霧，將宇宙變成了我們今天看到的樣子。

雖然前幾代望遠鏡缺乏研究這些早期宇宙物體的能力，但天文學家現在正在使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡研究在事故發生后立即形成的恒星和星系的卓越技術大爆炸.

我是一個研究最遠星系的天文學家在宇宙中使用世界上最重要的地面和太空望遠鏡。

利用韋伯望遠鏡的新觀測結果和一種稱為引力透鏡的現象，我的團隊確認存在目前已知早期宇宙中最暗淡的星系。

這個被稱為JD1的星系被看作是宇宙只有4.8億年的歷史，占現在年齡的4%。

早期宇宙簡史

宇宙生命的前十億年是一個其演變的關鍵時期.在大爆炸后的最初時刻，物質和光在熾熱、濃密的“湯”中相互結合基本粒子.

然而，在大爆炸后的幾分之一秒，宇宙擴張極快.

這種膨脹最終使宇宙冷卻到足以讓光和物質從它們的“湯”中分離出來，并在大約38萬年后形成氫原子。

氫原子以星際霧的形式出現，沒有來自恒星和星系的光，宇宙是黑暗的。這個時期被稱為宇宙黑暗時代.

大爆炸后幾億年第一代恒星和星系的到來使宇宙沐浴在極熱的紫外線下，這燃燒或電離的氫霧.此過程產生了我們今天看到的透明、復雜和美麗的宇宙。

像我這樣的天文學家稱宇宙的第一個十億年 - 當這種氫霧正在燃燒時 -再電離時代.

為了充分了解這一時期，我們研究了第一批恒星和星系何時形成，它們的主要特性是什么，以及它們是否能夠產生足夠的紫外線來燃燒所有的氫。

在早期宇宙中尋找微弱的星系

了解再電離時代的第一步是找到并確認天文學家認為可能導致這一過程的星系距離。

由于光以有限的速度傳播，到達我們的望遠鏡需要時間，所以天文學家查看過去的對象.

例如，來自我們銀河系中心的光大約需要27，000年才能到達地球上，所以我們看到它就像過去27，000年一樣。這意味著，如果我們想回到大爆炸后的第一個時刻（宇宙有138億年的歷史），我們必須尋找極遠距離的物體。

因為居住在這個時間段的星系是如此遙遠，所以它們看起來非常微弱而小到我們的望遠鏡，并在紅外線中發射大部分光。這意味著天文學家需要像韋伯這樣強大的紅外望遠鏡來找到它們。

在韋伯之前，天文學家發現的幾乎所有遙遠星系都非常明亮和巨大，僅僅是因為我們的望遠鏡不夠靈敏，無法看到更暗淡、更小的星系。

然而，后者的數量要多得多，更具代表性，并且可能是再電離過程的主要驅動力，而不是光明的人群。

因此，這些微弱的星系是天文學家需要更詳細地研究的星系。這就像試圖通過研究整個種群而不是幾個非常高的人來理解人類的進化。通過讓我們看到微弱的星系，韋伯為研究早期宇宙打開了一扇新窗口。

典型的早期星系

JD1就是這樣一個“典型”的暗淡星系。它是2014年用哈勃太空望遠鏡發現作為一個可疑的遙遠星系。但哈勃望遠鏡沒有能力或靈敏度來確認它的距離——它只能做出有根據的猜測。

附近又小又微弱星系有時會被誤認為是遙遠的星系，所以天文學家需要確定它們的距離，然后我們才能對它們的性質提出聲明。因此，遙遠的星系在被確認之前仍然是“候選者”。

韋伯望遠鏡終于有能力確認這些，JD1是韋伯對哈勃發現的極其遙遠的星系候選者的首批重大確認之一。此確認將其列為早期宇宙中迄今為止最暗淡的星系.

為了確認JD1，我和國際天文學家團隊使用了韋伯的近紅外光譜儀，近紅外光譜，以獲得星系的紅外光譜。

光譜使我們能夠確定與地球的距離，并確定它的年齡，它形成的年輕恒星的數量以及它產生的塵埃和重元素的數量。

引力透鏡，大自然的放大鏡

即使對于韋伯來說，如果沒有大自然的幫助，JD1也是不可能看到的。JD1位于附近一大群星系后面，稱為阿貝爾 2744，其綜合引力彎曲并放大來自JD1的光。

這種效應被稱為引力透鏡，使JD1看起來比平時更大，亮度高13倍。

如果沒有引力透鏡，天文學家就不會看到JD1，即使有韋伯。

JD1的引力放大倍率和韋伯另一臺近紅外儀器的新圖像的結合，尼爾卡姆，使我們的團隊能夠以前所未有的細節和分辨率研究星系的結構。

這不僅意味著我們作為天文學家可以研究早期星系的內部區域，還意味著我們可以開始確定這些早期星系是否是小的，緊湊的和孤立的來源，或者它們是否正在與附近的星系合并和相互作用。

通過研究這些星系，我們可以追溯到塑造宇宙并產生我們宇宙家園的基石。

圭多·羅伯茨-博爾薩尼，天體物理學博士后，加州大學洛杉磯分校

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