韦布望远镜新发现：直接“看见”星系形成

在2024年5月24日的《科学》杂志上，有一篇文章探讨了在宇宙早期星系中中性原子氢的丰度及其对星系形成的影响。研究团队利用詹姆斯·韦布太空望远镜JWST的近红外光谱数据，分析了红移在8以上的12个星系。通过光谱分析，研究者发现其中三个星系表现出强烈的阻尼莱曼α吸收，这个特征表明这些星系周围存在大量的中性原子氢。

这三个星系分别位于红移8.8、10.2和11.4，对应于大爆炸后约4亿至6亿年，那时宇宙处于138亿年总寿命的前3%-4%时期。可以说是很早了。它们的中性氢柱密度达到了10^22 cm^-2，比完全中性的星系际介质高出一个数量级。这表明这些年轻的星系中存在丰富的气体，且这些气体是星系形成的原材料。

文章还探讨了这些星系的光谱特征，测量了它们的红移和氧丰度，确认了这些星系的星形成速率在1到15个太阳质量每年之间。通过模型拟合，研究者确定了这些星系中的中性氢主要来自星系内部或其近邻区域，而非来自星系际介质。

研究结果表明，早期宇宙中的星系周围存在大量的中性氢，这些氢气体对电离光子具有高度遮蔽作用，从而影响了星系的电离辐射逃逸率。这一发现对于理解早期宇宙的星系形成和大规模电离过程具有重要意义。

我们知道，宇宙的形成和演化是一个宏大而复杂的过程，始于大约138亿年前的一次称为大爆炸的过程。大爆炸理论认为，宇宙从一个极端高温、高密度的状态迅速膨胀，随后逐渐冷却并形成了我们今天所见的宇宙结构。在大爆炸后的最初几分钟内，基本粒子如质子、中子和电子开始形成，随后这些粒子结合形成最轻的元素，如氢和氦。

随着宇宙的继续膨胀和冷却，重力作用开始使物质聚集，形成了最早的星系和恒星。这些早期的恒星通过核聚变反应合成了更重的元素，并在其生命末期通过超新星爆发将这些元素散布到周围的空间。这些重元素成为了后续恒星和行星形成的基础。

星系的形成和演化是宇宙演化的一个关键方面。星系通过引力作用不断吸积周围的气体和尘埃，并通过恒星形成和星系合并等过程不断演化。星系中的恒星形成活动和超新星爆发不仅影响了星系内部的结构和动力学，还对星系际介质产生了重要影响。恒星形成过程中产生的强烈辐射和超新星爆发产生的冲击波可以加热和电离星系际介质，甚至将部分气体驱逐出星系。

此外，暗物质和暗能量在宇宙的形成和演化中也扮演了重要角色。暗物质通过其引力作用促进了物质的聚集，帮助形成了星系和星系团。而暗能量则驱动着宇宙的加速膨胀，影响了宇宙的大尺度结构和演化。

总体而言，宇宙的形成和演化是一个从简单到复杂、从均匀到结构化的过程。通过对星系、恒星和星系际介质的研究，科学家们不断揭示出宇宙演化的细节。现代天文学和宇宙学的许多研究都集中在理解这些演化过程及其背后的物理机制，以解答我们对宇宙起源和命运的终极疑问。

这次直接“看见”星系形成的发现具有重大意义，直接“看见”星系的形成不仅验证了理论模型，丰富了对宇宙早期结构的认识，还推动了天文学技术的发展，并为未来的研究指明了方向。这一发现对科学界理解宇宙的起源和演化具有深远影响。

通过直接观测到早期星系的形成，我们可以更好地理解宇宙大爆炸后的早期历史。研究早期星系的化学成分和恒星形成过程，可以帮助我们了解生命形成的条件。生命所需的元素（如碳、氮、氧等）在早期恒星中形成，并通过超新星爆发散布到星系中。了解这些过程有助于回答我们如何从无生命的宇宙演化出生命。对于许多人来说，了解宇宙的起源和演化不仅是一个科学问题，也是一个哲学和存在意义的问题。通过探索宇宙的起源和我们自身的起源，我们在试图回答关于我们存在的更深层次问题：我们从哪里来，我们为什么存在，我们的未来将如何。这些科学发现为这些哲学思考提供了重要的背景和基础。

作者：苟利军 中国科学院国家天文台 研究员

审核：孙志斌 中国科学院国家空间科学中心 研究员

出品：中国科协科普部

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