韦布空间望远镜揭示照亮早期宇宙的星爆星系

"在产生紫外线方面，这些小型星系的表现远超其自身规模，"华盛顿美国天主教大学及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。"我们对这些微小但强大的星系进行的分析灵敏度是先前研究的十倍，结果显示它们不仅数量充足，且携带的紫外线能量足以驱动这场宇宙革新。"

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次会议上介绍了他的发现。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）仪器进行的新观测。

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小星系。这些图像是宾夕法尼亚大学匹兹堡分校雷切尔·贝赞森领导的UNCOVER（再电离纪元前的超深近红外光谱与近红外相机观测）计划的一部分。

该项目测绘了名为Abell 2744的巨大星系团（绰号潘多拉星系团），该星系团位于南天玉夫座方向，距离约40亿光年。星系团的质量形成了引力透镜，能够放大遥远光源，进一步扩展了韦伯望远镜本已强大的观测能力。

在宇宙诞生后最初十亿年的大部分时间里，宇宙沉浸在由中性氢气体构成的迷雾中。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，长期以来一直困惑于是何种天体主导了这一过程：大型星系、小型星系，还是活动星系中的超大质量黑洞。作为其主要科学目标之一，美国宇航局的韦伯望远镜正是专门为解决关于宇宙历史中这一重大转变的关键问题而设计。

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寻常的作用。此类星系在当今宇宙中已很罕见，仅占我们周围星系的约1%。但在宇宙年龄约为8亿年（天文学家称为红移7的时期，当时再电离正在进行中）时，它们曾大量存在。

研究团队在星系团的NIRCam图像中，搜寻了具有正确宇宙年龄且显示极端恒星形成（称为星暴）迹象的小型星系。

"低质量星系周围积聚的中性氢气体较少，这使得电离紫外线的逃逸更容易，"罗兹解释道。"同样，星暴事件不仅产生丰富的紫外线——它们还会在星系星际物质中开辟通道，帮助这些光线逸出。"

天文学家们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：即失去两个电子的氧原子发射的绿线。这种双电离氧发出的绿光在早期宇宙中作为可见光发射，当其穿越膨胀的宇宙最终到达韦伯望远镜仪器时，已被拉伸至红外波段。

该技术揭示了83个小型星暴星系，它们呈现的是宇宙8亿年（相当于当前138亿年年龄的约6%）时的状态。团队从中选取了20个星系，利用NIRSpec进行更深入的观测。

"这些星系极其微小，若要拼凑出与我们银河系相当的恒星质量，需要2000至20万个这样的星系，"马尔霍特拉说道。"但凭借我们新颖的样本选择技术结合引力透镜效应，我们能够探测到它们。"

当今宇宙中的类似星系（如绿豌豆星系）会将其约25%的电离紫外线释放到周围空间。如果沃尔德团队探索的低质量星暴星系释放相似比例的电离紫外线，它们就能提供宇宙中性氢转化为电离态所需的全部紫外线能量。

詹姆斯·韦伯空间望远镜是世界领先的空间科学观测站。韦伯正在解开太阳系中的谜题，探寻其他恒星周围的遥远世界，并探索宇宙的神秘结构、起源及人类在其中的位置。韦伯是由美国宇航局主导，与欧洲空间局（ESA）和加拿大航天局（CSA）合作的国际项目。