天文学家们近日宣布了一项惊人的发现：在已知最遥远的星系中，他们探测到了氧气和重金属的存在。这个星系距离我们134亿光年，这意味着它形成于宇宙的早期阶段，这挑战了我们对宇宙早期星系形成速度的理解。
遥远星系的惊人面貌
这个名为JADES-GS-z14-0的星系，具有异常大的体积和亮度。它最初是在2024年1月由詹姆斯·韦伯空间望远镜发现的。韦伯望远镜通过观测红外光来探索宇宙，而红外光是人类肉眼无法看到的。由于能够观测到在宇宙中传播了数十亿年的光线，韦伯望远镜能够有效地回溯到被称为“宇宙黎明”的神秘时代，即宇宙大爆炸后的最初几亿年，那时第一批星系诞生了。
从JADES-GS-z14-0发出的光线经过了134亿年的时间才到达地球。因此，韦伯望远镜以及位于智利阿塔卡马沙漠的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）等观测站，看到的是该星系在宇宙仅有约3亿年历史时的状态。
氧气和重金属的意外现身
当ALMA用于跟踪韦伯望远镜的初步观测时，天文学家们惊讶地发现了氧气和重金属的存在。这些元素的存在表明，在宇宙早期，星系的形成速度可能比之前预期的要快得多。ALMA探测的结果已于周四发表在《天体物理学杂志》和《天文学与天体物理学》的两项独立研究中。
“这就像发现了一个青少年，而你本应该只看到婴儿，”《天体物理学杂志》研究的主要作者、荷兰莱顿大学莱顿天文台的博士生桑德·舒乌斯在一份声明中说。“结果表明，该星系形成得非常迅速，并且也在迅速成熟，这增加了越来越多的证据，表明星系的形成速度比预期的要快得多。”
JADES-GS-z14-0富含重元素这一事实，使得天文学家们开始质疑最早的星系究竟是什么样的，以及他们可能使用韦伯望远镜和ALMA发现多少个类似的星系。
明亮的光芒带来惊喜
JADES-GS-z14-0的多个方面都出乎意料，包括其巨大的尺寸和亮度。舒乌斯说，在韦伯望远镜观测的700个遥远星系中，这个星系是最遥远的，但却是第三亮的。然而，人们预计最古老的星系会更小更暗，因为当时的宇宙要小得多。
“总的来说，宇宙早期星系与我们从哈勃和JWST拍摄的精美图像中了解到的著名星系截然不同，”舒乌斯在一封电子邮件中说。“它们更加紧凑，富含气体，并且混乱/无序。条件更加极端，因为大量的恒星正在一个小体积内迅速形成。”
星系通常起源于巨大的气体云，这些气体云会坍缩和旋转，并充满由氦和氢等轻元素组成年轻恒星。随着恒星随时间的推移而演化，它们会产生氧气和金属等较重的元素，这些元素会随着恒星在生命周期结束时爆炸而扩散到整个星系。反过来，垂死恒星释放的元素会导致更多恒星以及围绕它们运行的行星的形成。
但JADES-GS-z14-0的任何特征都不符合该模型。研究作者说，相反，该星系所含的重元素是预期数量的10倍。
“这些元素是由大质量恒星产生的，大量的氧气表明，已经诞生并死亡了好几代大质量恒星，”意大利比萨高等师范学校的助理教授、 《天文学与天体物理学》研究的主要作者斯蒂法诺·卡尔尼亚尼博士在一份声明中说。“总而言之，（JADES-GS-z14-0）比预期的更加成熟，这些结果表明，第一代星系非常迅速地聚集了它们的质量。”
遥远的距离
使用ALMA还使研究人员能够确认最初使用韦伯望远镜测量的星系的距离，并改进他们的测量结果。莱顿大学副教授、《天体物理学杂志》研究的合著者里查德·鲍恩斯说，这两个望远镜可以一起用于研究第一批星系的形成和演化。
“我真的很惊讶于在JADES-GS-z14-0中清晰地探测到氧气，”欧洲南方天文台欧洲ALMA区域中心的天文学家格尔格·波平在一份声明中说。波平没有参与这两项研究。
“这表明，在大爆炸之后，星系的形成速度可能比之前认为的要快。这项结果展示了ALMA在揭示我们宇宙中第一批星系形成的条件方面所起的重要作用。”
卡尔尼亚尼说，韦伯望远镜可以帮助识别极其遥远的星系，而ALMA可以通过探测星系发出的远红外光来放大研究星系中的气体和尘埃。研究此类星系可以帮助揭示宇宙黎明的许多剩余谜团，例如宇宙最初开始后不久发生了什么，以及最早出现的天体是什么。
研究作者认为，早期星系可能比预期的形成了更多的恒星，并且恒星的规模更大，这也将影响星系的整体亮度。
“这就像燃烧蜡烛：你可以拥有灯芯宽的蜡烛，它们有明亮的火焰（大质量恒星），或者你可以拥有燃烧缓慢且高效的蜡烛（普通恒星），”舒乌斯说。
他说，但要确切了解研究人员所看到的情况，还需要更多的观测。
卡尔尼亚尼说，该团队希望确定该星系及其快速演化是否真的独一无二，或者早期宇宙中是否还有更多类似的星系，因为仅仅一个天体不足以建立新的星系形成模型。
