这些“绿豌豆”星系可能有助于结束宇宙的黑暗时代

题记：JWST 发现了三个微小而遥远的星系，它们可以解开一个长期存在的宇宙之谜。

天文学家使用詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 发现了三个微小的星系，它们可能有助于引发宇宙历史上最伟大的重塑之一。

在华盛顿西雅图举行的美国天文学会 (AAS) 会议上提出并于上周发表的研究结果1可以解释再电离——强辐射撕裂笼罩在宇宙上空的氢原子“雾”的时期，呈现第一次看到恒星和星系。

宇宙停电
大爆炸刚结束时，宇宙明亮得令人眼花缭乱。余热如此之大，以至于电子无法与质子结合形成原子。相反，宇宙是一种沸腾的等离子体——一种密集发光的带电（或电离）粒子气体，散射光，很像荧光灯泡。

大约 38 万年后，膨胀的宇宙已经冷却到足以形成氢原子。其中一些原子最终结合成第一批恒星和星系。但是周围的氢气覆盖层吸收了它们的光——类似于浓雾阻挡汽车前灯的方式。

最终，这个宇宙黑暗时代结束了。在称为再电离的过程中，高能辐射将星系间的氢原子分开——将它们变回孤立的质子和电子。但是电离星系之间的所有物质需​​要大量的能量，天文学家长期以来一直在争论确切的驱动因素。也许这是来自最早星系的星光。或者，也许该事件是由超大质量黑洞引起的——黑洞将物质拉向它们并将其加热。

“一个重要的宇宙学问题是，再电离的原因是什么？” 夏洛茨维尔弗吉尼亚大学的天文学家 Trinh Thuan 说。

银河豌豆
2022 年 7 月 11 日——JWST 发射后大约六个月——该天文台提供了迄今所见的最深、最清晰的遥远宇宙图像。该图像以名为 SMACS 0723 的星系团为中心，包含数千个比以往任何时候都暗淡的星系。JWST 可以捕获它，因为它分析红外线；随着宇宙的膨胀，它最遥远的星系似乎从电磁波谱的可见部分转移到红外线。在 SMACS 0723 图像中的数千个星系中，研究人员决定对三个看起来特别遥远的星系进行后续光谱观察。

但是，当位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的天文学家 James Rhoads 和他的同事们第一次看到这三个星系的光谱时，他们意识到这些星系看起来就像通常在附近发现的物体。它们与“绿豌豆”星系有着惊人的相似之处，这是一个名为“银河动物园”的公民科学项目首次发现的奇怪现象，并于 2009 年报告了2 个星系。

豌豆星系因其颜色和体积小而得名。它们只有银河系大小的 5%，质量的 1%。但是不要被它们的小尺寸所蒙骗：它们以惊人的速度产生恒星——考虑到它们的质量，大约是天文学家预期速度的 100 倍。它们似乎也含有相对较少的重元素。它们的绿色色调来自新生恒星加热的电离氧（一种相对较轻的元素）的光芒。

绿豌豆让天文学家着迷，因为尽管它们只在附近的宇宙中被观察到，但它们的特性与早期星系的预期特性相似。例如，第一个星系被认为只包含轻元素，因为重元素需要时间才能形成。戈达德太空飞行中心的天文学家 Sangeeta Malhotra 在 1 月 12 日的 AAS 会议上开玩笑说它们是“彼得潘星系”，因为它们还没有成熟。

早期分身
这就是为什么 Rhoads、Malhotra 和他们的同事对 JWST 分析的三个星系的光谱感到兴奋——这些星系来自早期宇宙，但类似于附近的绿豌豆。“我们一看到它们就知道它们看起来像豌豆光谱，”Rhoads 告诉《自然》杂志。

像豌豆一样，这三颗恒星体积小，发射光谱强——这意味着它们也能迅速产生恒星。同样，它们所含的比氢和氦重的元素也很少。事实上，这三个中距离最远的那个包含的氧气大约是银河系的 2%。这可能是迄今为止在星系中所见的最低氧气含量。

Thuan 说，他“惊讶”地看到 JWST 拍摄的这些星系的光谱与他长期研究的绿豌豆的光谱之间的相似性。

毫无疑问，它们是同一类型的对象。瑞士日内瓦大学的天文学家 Daniel Schaerer 说，在 JWST 之前，研究人员测量了大爆炸后 100 亿年的绿豌豆。“现在突然间我们可以做同样的事情了——但只是在大爆炸之后的 7 亿年。这完全令人难以置信。”

另一个令人兴奋的原因可以追溯到 2016 年，当时包括 Thuan 在内的天文学家报告说，一颗绿豌豆将成群的电离光子发送到星际介质3中。在附近的宇宙中观察到的大多数星系都不会这样做。在如此小的体积中拥有如此多的恒星，绿豌豆或许能够在星际介质中打通通道，为高能辐射创造一条逃逸路线。

这可能意味着像早期宇宙中的三重奏这样的物体产生了使宇宙摆脱黑暗时代所需的能量。对于 Thuan，结果令人信服。“现在我确实认为这些正在形成恒星的矮星系是再电离的推动者，”他说。

JWST 帮助天文学家从附近的宇宙中发现了类似于“绿豌豆”星系（左图，由斯隆数字巡天拍摄）的遥远星系（右图）。图片来源：SDSS 和 NASA、ESA、CSA 和 STScI

转自Nature，大部分机翻，有一些自己翻译的可能不太准确

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