新证据表明，这一图景可能并不完整。由亚利桑那大学天文学家领导并发表在《自然·天文学》（Nature Astronomy）上的一项研究表明，早期星系向周围空间输送碳和氧等重元素的时间比预期的要早得多。
“我们观察到，在宇宙时间极早的时期，重元素就从星系中逃逸了，”该论文的第一作者、亚利桑那大学天文学系和斯图尔特天文台的博士后研究员朱永达（Yongda Zhu）说。“星系不仅产生了这些元素，而且还在散布这些元素，可能为其他星系提供了种子。”
宇宙如何构建重元素
除了氢和氦（元素周期表最顶端的两种最简单元素）之外，早期宇宙几乎不含其他物质。随着引力将这些物质聚集成致密的云团，恒星开始形成。在这些恒星内部，极端的高温和高压引发了核聚变和其他反应，从而产生了碳和氧等重元素。
当恒星走到生命尽头时，包括一些以超新星形式爆发的恒星，它们会将这些元素释放到太空中。这些物质后来成为新一代恒星和行星的一部分，并最终构成了生命所需的化学基础。人体中的碳和人们呼吸的氧都是在早期世代的恒星内部产生的。
此前仍不确定的是，这些重元素以多快的速度从第一批星系中逃逸并扩散到更广阔的宇宙中。
JWST回望130多亿年前
朱永达及其同事将重点放在了三个极其遥远的星系上，这些星系发出的光已经在太空中穿行了130多亿年。观测结果显示了这些星系在大爆炸后约5亿年时的样貌，这一时期被称为再电离时代。
在这一时期，第一代恒星和星系通过电离星系间的氢气来重塑宇宙。在这个过程中，电子从氢原子核中被剥离。随着再电离过程的推进，紫外线能够在太空中更自由地传播，从而帮助结束了宇宙的“黑暗时代”。
“我们将星系本身作为背景光源，”朱永达说。“当星系发出的光向地球传播时，它会穿过周围的气体，我们能够通过观察光的吸收模式来探测特定元素。”
美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）凭借其红外探测能力使这些观测成为可能，这让天文学家能够研究130多亿年前星系的面貌。近30个小时的曝光时间收集了足够的光线，使研究团队能够在遥远星系的光谱中识别出极其微弱的吸收特征。
重元素已经开始逃逸到太空中
在一个漫长的夜晚里，朱永达手动检查了数百个星系的公开JWST光谱。他最终确定了三个星系，其吸收模式显示了包括碳、氧和硅在内的重元素存在的证据。
与星系自身的红移相比，这些吸收线出现了“蓝移”。这种位移表明气体正在向外移动，将氧、碳和其他重元素带离星系并进入星系际空间。
值得注意的是，这些婴儿期星系周围的化学特征与数十亿年后成熟得多的星系周围发现的化学特征相似。这一发现表明，即使在宇宙黎明时期，星系也已经在制造重元素并将其扩散到周围环境中。
“把源自星系恒星的这些元素想象成滴入一杯水中的食用色素，”朱永达说。“颜色开始在水中扩散，同样地，来自早期星系的这些重元素也开始逃逸到太空中并‘丰富’其周围环境。”
早期重子循环重塑了宇宙
天文学家将物质进出星系的交换过程称为重子循环。这一过程表明星系并非完全孤立的天体。相反，它们作为更大的星系生态系统的一部分与周围环境相互作用，由一代恒星产生的物质被循环和重新分配。
找到重子循环在如此早期就已经开始的证据，也可能有助于解释一个涉及第三星族恒星的长期未解之谜。这些假想中的恒星被认为是宇宙的第一代恒星，由仅含氢和氦的原始气体形成，当时重元素尚未广泛扩散。
如果星系在大爆炸后仅5亿年就已经在丰富附近的空间，那么真正原始的气体可能很快就消失了。因此，第三星族恒星可能没有保持足够长的时间来被轻易观测到。
“如果你一开始有一杯纯香草冰淇淋，但很快就开始往里面撒糖屑，用不了多久你就再也找不到任何纯净的原味香草冰淇淋了，”朱永达说。