JWST驚人發現：宇宙初期星系重塑環境的早期證據

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）近日捕捉到一個遙遠星系在其周圍氣體中吹出一個意想不到的氣泡，這發生在大爆炸後僅3.3億年。這個名為JADES-GS-z13-1的星系，標誌著天文學家首次觀測到宇宙再電離時代的早期跡象，這是一個在宇宙歷史中具有轉型意義的時期，當時第一批恆星和星系開始重塑它們的環境。

「這絕對是在宇宙地圖上標記了一個點，表明再電離很可能已經開始，」哥本哈根大學的天體物理學家Joris Witstok表示，「沒有人預料到這會在宇宙歷史中這麼早發生。」

在JADES-GS-z13-1及其類似的星系開始發光之前的數百萬年，宇宙充滿了冷的中性氣體，主要是氫和氦。這些氣體吸收了大爆炸後約2億年內任何恆星發出的短波長光。然而，隨著越來越多的恆星開始燃燒並聚集形成星系，它們產生了足夠的紫外線，將中性氣體原子中的電子擊出，使其電離並使氣體對短波長光透明。

這種電離的一個明顯訊號來自一種特定的紫外線波長，稱為萊曼-α（Lyman-α），它是由激發的氫原子返回其最低能量狀態時產生的。看到從星系發出的萊曼-α光子意味著該星系必須在其周圍吹出一個足夠大的電離氣泡，讓這些光子能夠到達我們今天的望遠鏡。

「你可以把星系想像成小小的萊曼-α手電筒，」德克薩斯大學奧斯汀分校的天體物理學家Steven Finkelstein表示，「如果你能看到萊曼-α，這意味著它們位於宇宙的電離部分。如果看不到，這些星系就被中性氫霧籠罩。」

先前的研究表明，宇宙在大爆炸後約10億年完全電離。但很難確定這一過程何時開始，或者到底是什麼產生了這些光。

Witstok及其同事使用JWST觀測JADES-GS-z13-1近19小時，將其光分解成波長光譜，以尋求該星系組成的細節。JWST的設計初衷就是尋找這些明亮的古老星系。隨著宇宙的膨脹，這些星系最初發出的紫外線被拉伸到更長的紅外波長。自2022年開始運作以來，JWST的敏感紅外探測器已經發現了一群光來自大爆炸後不到3億年的星系。

令研究人員驚訝的是，他們發現了來自JADES-GS-z13-1的清晰、明亮的萊曼-α光子訊號。如果你站在這個星系旁邊，這道光會像100億個太陽一樣明亮。

「我們突然看到了這個巨大的、強烈的發射線，」Witstok表示，「這使得JWST發現的其他遙遠星系看起來有點無聊。僅僅是它的純粹強度就告訴我們，無論這個光源是什麼，都必須非常、非常強大，並且與我們之前見過的任何東西都不同。」

這一發現「既令人驚訝又令人興奮，」墨爾本大學的宇宙學家Michele Trenti表示，「我沒想到這個星系發出的紫外線萊曼-α能夠到達JWST。這表明早期形成的星系在重新加熱宇宙方面比之前認為的更有效率。」

目前還不清楚這道光確切的來源。它可能來自落入星系中心超大質量黑洞時被加熱的物質。該星系的緊湊尺寸支援了這一觀點——它看起來只有約230光年寬，而銀河系則有32,000光年寬。

這道光也可能來自極熱、巨大的恆星，質量約為太陽的100到300倍，溫度超過15倍。需要更多的觀測來確定是哪一種情況，但無論是哪一種，都對早期宇宙的條件具有重要意義。

「這兩種可能性都激發了創新，」Trenti表示，「我預計理論家們將在繪圖板上開發新的模型，以解釋宇宙黎明時期的星系和黑洞演化，而觀測者肯定會嘗試發現更多類似的星系來解開這個謎題。」