詹姆斯·韦伯望远镜揭示了“改变了整个宇宙”的古代星系集合

詹姆斯·韦伯太空望远镜的新观测表明，早期宇宙中的矮星系释放出足够的集体辐射，足以永远改变宇宙。

天文学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 和阿尔伯特·爱因斯坦 100 多年前预测的效应发现，早期宇宙中的小星系具有巨大的冲击力，在不到 10 亿年的年龄时塑造了整个宇宙。

国际团队发现，这些星系类似于今天存在的矮星系，在大爆炸后 500 至 9 亿年之间发生的宇宙演化的关键阶段发挥了至关重要的作用。科学家们表示，在婴儿宇宙中，这些小星系的数量也远远超过了较大的星系，并补充说，这些领域很可能提供了宇宙再电离过程所需的大部分能量。宇宙再电离对于宇宙的生长和演化至关重要。

“我们真正谈论的是整个宇宙的全球转变，”该研究的主要作者、巴黎天体物理研究所的天文学家哈基姆·阿泰克 (Hakim Atek) 告诉《Live Science》的姊妹网站 Space.com。 “最令人惊讶的是，这些小而微弱的星系拥有如此强大的能量，它们累积的辐射可以改变整个宇宙。”

大变革背后的小推动力

在大爆炸发生后大约 3.8 亿年之前，在一个被称为重组纪元的时期，现在已有 138 亿年历史的宇宙一直是不透明和黑暗的。这是因为，在其致密和超热状态下，自由电子在称为光子的光粒子周围无休止地弹跳。

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然而，后来，在重组时代，宇宙已经膨胀和冷却到足以让电子与质子结合，并产生第一个氢原子，氢是宇宙中最轻、最简单的元素。自由电子的消失意味着光子突然可以自由传播，宇宙的“黑暗时代”结束了。宇宙突然变得透明。今天我们可以以宇宙化石的形式看到这种“第一道光”，它均匀地充满了宇宙，称为“宇宙微波背景”或“CMB”。

由于电子和质子具有相等但相反的电荷，这些最初的原子是电中性的，但它们很快就会经历另一次转变。

4 亿年后，第一批恒星和星系形成——然后，在再电离时代，中性氢（宇宙中的主要元素）转变为带电粒子。这些粒子称为离子。电离是由电子吸收光子并增加其能量、脱离原子而引起的。到目前为止，科学家们还不确定这种电离辐射来自哪里。

对再电离背后的辐射源的怀疑包括超大质量黑洞，它们以周围吸积盘的气体为食，导致这些区域喷射高能辐射，质量超过 10 亿个太阳的大型星系，以及质量小于此的较小星系。

“事实上，我们几十年来一直在争论这个问题，无论是大质量黑洞还是大质量星系。甚至还有一些奇特的解释，比如暗物质湮灭会产生电离辐射，”阿泰克说，“最好的候选者之一是星系，现在我们已经证明小星系的贡献是巨大的。”

“我们认为小星系在产生电离辐射方面不会如此有效。它比我们预期的高四倍，即使对于正常大小的星系也是如此。”

长期以来，确定较小的矮星系作为电离辐射的主要来源一直是一个挑战，因为它们非常微弱。

“很难获得此类信息和这些观测结果，但 JWST 具有红外光谱能力。事实上，我们建造 JWST 的原因之一是为了了解再电离时期发生的情况，”阿雷克说。

即使 JWST 具有令人印象深刻的红外观测能力，如果没有阿尔伯特·爱因斯坦的帮助，也不可能发现这些矮星系——更具体地说，没有他 1915 年提出的广义相对论及其预测的光效应的帮助。

阿尔伯特·爱因斯坦的援助之手

广义相对论表明，所有质量物体都会扭曲空间和时间的结构，而实际上，它们统一为一个称为“时空”的实体。该理论称，我们对重力的感知是由于这种曲率而产生的。物体的质量越大，时空曲率就越“极端”。因此，其引力效应越强。

这种曲率不仅告诉行星如何在围绕恒星的轨道上运动，进而告诉这些恒星如何围绕其所在星系中心的超大质量黑洞运行，而且它还改变了来自恒星的光路。

当背景光源向地球传播时，来自背景光源的光可以在前景物体周围采取不同的路径，并且该路径越接近质量大的物体，它就越“弯曲”。因此，由于前景或“透镜”物体的影响，来自同一物体的光可以在不同时间到达地球。

这种透镜效应可以移动背景物体在天空中的位置，或者可以导致背景物体出现在同一天空图像中的多个位置。其他时候，来自背景物体的光被放大，因此该物体在天空中被放大。

这种效应被称为“引力透镜”，JWST 一直在利用它来观察黎明前的远古星系，否则它是没有机会看到这些星系的。

为了观察新研究的遥远和早期矮星系，并分析它们发出的光，JWST 使用了一个名为 Abell 2744 的星系团作为引力透镜。 “即使对于 JWST，这些小星系也非常微弱，因此我们需要添加引力透镜来放大它们的通量，”阿泰克说。

随着再电离之谜的解开，该团队现在的目标是通过另一个名为 GLIMPSE 的 JWST 项目将这项研究扩展到更大规模。研究人员将首先尝试确认本研究中研究的特定位置能够代表宇宙中星系的平均分布。

然后，除了研究再电离过程之外，Atek 和同事的目标是更好地了解最初的星系的形成，这些星系在 120 亿年的时间里成长为当今的星系。

阿泰克总结道：“到目前为止，我们真正研究的大多是明亮的大质量星系，但它们在早期宇宙中并不是很典型。” “因此，如果我们想了解第一个星系的形成，我们确实需要了解微小的低质量星系的形成。这就是我们将在即将推出的计划中尝试做的事情。”

该团队的研究成果于周三（2 月 28 日）发表在《自然》杂志上。

最初发布于Space.com。