韦伯太空望远镜揭示了照亮早期宇宙的星暴星系

华盛顿美国天主教大学和马里兰州格林贝尔特美国宇航局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："在产生紫外线方面，这些小型星系的表现远超其体量预期。我们对这些微小却强大的星系的分析灵敏度比先前研究高十倍，表明它们数量充足且集聚了足够的紫外线能量来推动这场宇宙革新。"

沃尔德周三在阿拉斯加安克雷奇举行的美国天文学会第246次会议上报告了这项发现。该研究利用了韦伯望远镜近红外相机（NIRCam）仪器收集的现有成像数据，以及其近红外光谱仪（NIRSpec）仪器的最新观测结果。

沃尔德与其戈达德太空飞行中心的同事桑吉塔·马尔霍特拉和詹姆斯·罗兹，通过筛选韦伯望远镜在UNCOVER（再电离纪元前的超深近红外光谱与近红外相机观测）计划中拍摄的图像，发现了这些微小星系。该计划由宾夕法尼亚大学匹兹堡分校的雷切尔·贝桑松领导。

该项目绘制了被称为阿贝尔2744（绰号潘多拉星系团）的巨型星系团图谱。该星系团位于雕刻家座南天星座，距离地球约40亿光年。其巨大质量形成的引力透镜放大了遥远光源，进一步拓展了韦伯望远镜本已卓越的观测能力。

在宇宙诞生后的最初十亿年间，宇宙长期笼罩在中性氢气的迷雾中。如今，这些气体已被电离——即电子被剥离。天文学家将这一转变称为再电离，长期以来一直探究是何种天体主导该过程：大型星系、小型星系，还是活动星系中的超大质量黑洞。作为其主要目标之一，美国宇航局的韦伯望远镜正是为解决宇宙史上这一重大转变的关键问题而专门设计。

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比例的作用。此类星系在今天相当罕见，仅占银河系周边星系的1%左右。但当宇宙年龄约为8亿年（天文学家称为红移7的纪元）时，它们曾大量存在，当时再电离进程正处于高峰期。

研究团队在星系团的近红外相机图像中，搜寻具有极端恒星形成（称为星暴）迹象且符合特定宇宙年龄的小型星系。

"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，星暴事件不仅产生大量紫外线——还会在星系星际物质中开辟通道，助力这些光线突破束缚。"

天文学家们寻找特定波长光的强发射源，该波长标志着高能过程的存在：即失去两个电子的氧原子发出的绿色谱线。这种由双电离氧发出的绿光在早期宇宙中本属于可见光波段，当其穿越膨胀的宇宙最终抵达韦伯仪器时，已被拉伸至红外波段。

该技术揭示了83个小型星暴星系在宇宙8亿年（约为当前138亿年宇宙年龄的6%）时的状态。团队从中选取20个星系，利用近红外光谱仪进行了深度观测。

"这些星系如此微小，若要累积相当于我们银河系的恒星质量，需要2000至20万个此类星系，"马尔霍特拉指出，"但凭借我们创新的样本选择技术与引力透镜效应，仍能成功探测到它们。"

当今宇宙中的同类星系（如绿豌豆星系）会向周围空间释放约25%的电离紫外线。若沃尔德团队研究的低质量星暴星系释放比例相近，它们足以提供将宇宙中性氢转化为电离态所需的全部紫外线能量。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界领先的空间科学观测站。韦伯正在破解太阳系谜题，探索其他恒星的遥远世界，并探究宇宙的神秘结构、起源及人类在其中的位置。韦伯是由美国宇航局主导，欧洲空间局（ESA）和加拿大航天局（CSA）共同参与的国际项目。