韦布空间望远镜揭示点亮早期宇宙的星暴星系

“在产生紫外线方面，这些小型星系发挥了远超其体量的作用，”华盛顿美国天主教大学和马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的助理研究科学家伊萨克·沃尔德表示。“我们对这些微小而强大的星系的分析比先前研究灵敏十倍，表明它们以足够数量存在，并蕴含充足的紫外线能量来推动这场宇宙革新。”

沃尔德于周三在阿拉斯加安克雷奇举行的美国天文学会第246次会议上阐述了其发现。该研究利用了韦伯望远镜近红外相机（NIRCam）仪器采集的现有图像，以及通过其近红外光谱仪（NIRSpec）仪器获得的新观测数据。

沃尔德与其戈达德中心的同事桑吉塔·马尔霍特拉和詹姆斯·罗兹，通过筛选韦伯望远镜图像发现了这些微型星系。这些图像源自宾夕法尼亚大学雷切尔·贝桑森领导的UNCOVER（宇宙再电离纪元前的超深近红外光谱仪和近红外相机观测计划）观测项目。

该项目绘制了巨型星系团阿贝尔2744（绰号潘多拉星系团）的地图，该星系团位于南天玉夫座方向约40亿光年外。该星系团的质量形成了引力透镜，能放大遥远光源，进一步拓展了韦伯望远镜本已强大的观测能力。

在宇宙诞生后的最初十亿年间，宇宙大部分时间被中性氢气体形成的迷雾笼罩。如今，这些气体已被电离——即失去了电子。天文学家将这种转变称为再电离，他们长期以来一直在探究：究竟是大型星系、小型星系，还是活动星系中的超大质量黑洞对此负有主要责任。作为其主要目标之一，NASA韦伯望远镜的研制初衷就是为了解答关于宇宙史上这一重大转变的关键问题。

近期研究表明，经历剧烈恒星形成的小型星系可能发挥了超乎寻常的作用。此类星系现今极为罕见，仅占周围星系的1%左右。但在宇宙约8亿年历史（天文学家称为红移值7的时期），即再电离过程全面展开时，这类星系曾大量存在。

研究团队在分析星系团的近红外相机图像时，搜寻了特定宇宙年龄且呈现极端恒星形成迹象（称为星暴）的小型星系。

“低质量星系周围聚集的中性氢气体较少，这使得电离紫外线更容易逃逸，”罗兹解释道。“同样，星暴活动不仅产生大量紫外线——还会在星系星际物质中开辟通道，帮助这些光线突破束缚。”

天文学家寻找特定波长光线的强光源，该波长标志着高能过程的存在：由失去两个电子的氧原子发出的绿色谱线。在早期宇宙中以可见光形式发出的双电离氧绿光，在穿越膨胀宇宙时被红移至红外波段，最终被韦伯望远镜的仪器捕获。

该技术揭示了83个小型星暴星系，它们存在于宇宙8亿年历史时期（约为当前138亿年宇宙年龄的6%）。团队从中选取20个目标，利用近红外光谱仪进行深度观测。

“这些星系极其微小，若要累积相当于银河系的恒星质量，需聚集2,000至200,000个此类星系，”马尔霍特拉指出。“但凭借新颖的样本选择技术与引力透镜效应，我们仍能探测到它们。”

当今宇宙中类似星系（如绿豌豆星系）约释放25%的电离紫外线至周围空间。若沃尔德团队探索的低质量星暴星系释放比例相近，它们足以提供使宇宙中性氢转化为电离态所需的全部紫外线能量。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是全球顶尖的空间科学观测台。韦伯正在破解太阳系谜题，探索其他恒星周围的遥远世界，并探究宇宙的神秘结构、起源及人类在其中的位置。韦伯是由NASA主导，与欧洲航天局（ESA）及加拿大航天局（CSA）合作的国际项目。