天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了宇宙從霧蒙蒙的、不透明的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鳡顟B(tài)的早期證據(jù)，這要歸功于近 136 億年前一個星系發(fā)出的紫外線。宇宙中的第一批星系誕生時隱藏在一層厚厚的中性氣體“霧”中，很難被觀測到。直到星系本身開始電離周圍的氣體，這團(tuán)霧才散去。

現(xiàn)在，來自哥本哈根宇宙黎明中心的天文學(xué)家團(tuán)隊利用詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡探測到了這種劇烈轉(zhuǎn)變的最早跡象。他們觀察到一個存在于大爆炸后僅 3.3 億年的星系，它被一個透明的電離氣體氣泡包圍著——這證明宇宙從不透明到透明的轉(zhuǎn)變比之前認(rèn)為的要早。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然》雜志上。

大爆炸幾億年后，第一批恒星和星系開始形成，由大量氣體云凝結(jié)而成。確切時間仍在積極研究中，但天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了可追溯到宇宙起源后不到 3 億年的星系。

這些早期星系之一現(xiàn)在為年輕宇宙的演化方式提供了新的見解。

這是已知最遙遠(yuǎn)星系之一的近景：左側(cè)是詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡觀測到的 10，000 個不同距離的星系。右側(cè)的放大圖顯示星系 JADES-GS-z13-1，中間有一個紅點。它發(fā)出的光是在宇宙大爆炸后 3.3 億年發(fā)出的，傳播了近 135 億年才到達(dá)韋伯的金色鏡子。圖片來源：NASA、ESA、CSA、Brant Robertson（加州大學(xué)圣克魯斯分校）、Ben Johnson（CfA）、Sandro Tacchella（劍橋）、Phill Cargile（CfA）、Joris Witstok（劍橋大學(xué)、哥本哈根大學(xué)）、P. Jakobsen（哥本哈根大學(xué)）、Alyssa Pagan（STScI）、Mahdi Zamani（ESA/韋伯）、JADES 合作組織

探測第一個星系并不容易，主要是因為它們是由氣體形成的。

新生星系發(fā)出的大部分光都處于高能紫外線 (UV) 范圍內(nèi)。然而，在宇宙最初的 5 億年里，星系周圍和星系間空間的大部分氣體都是中性的，這意味著它們還沒有被星光電離。中性氣體對紫外線的吸收效率很高，因此這些星系發(fā)出的最亮的光被阻擋了。

因此，這個早期星系在紫外線波長下幾乎看不見，隱藏在濃厚的宇宙霧后面。

通過七種不同的濾光片觀察星系 JADES-GS-z13-1，這些濾光片僅透射部分電磁波譜。越往左邊，光線越紫外。雖然在右側(cè)四張較長波長的圖像中可以清楚地看到星系，但在左側(cè)最短波長的圖像中卻完全看不見星系。請注意，顏色是“假的”；圖像僅顯示光線出現(xiàn)的位置。來源：Witstok 等人 (2025)

當(dāng)紫外線從第一批光源發(fā)射出來時，它開始慢慢改變宇宙。隱藏星系的中性原子被紫外線分裂，最終使宇宙變得透明。

這個過程被稱為再電離時代，它的具體情況是天文學(xué)家深入研究的課題：它何時開始、持續(xù)了多長時間、如何進(jìn)行以及是哪些因素造成的？

直到最近，人們的共識是，再電離直到宇宙誕生約 5 億年后才開始，并再過 5 億年后完成。

但這一觀點現(xiàn)在受到了一項新研究的挑戰(zhàn)，該研究由尼爾斯玻爾研究所和丹麥技術(shù)大學(xué)太空系的宇宙黎明中心 (DAWN) 的天文學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)。研究人員對最遙遠(yuǎn)的星系之一進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了再電離的明顯跡象，其開始時間比迄今為止認(rèn)為的要早得多。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的 DAWN 博士后 Joris Witstok 解釋道：

“年輕星系發(fā)出的光在特定波長下最為明亮，這種光源自氫。天文學(xué)家將這種光命名為‘萊曼阿爾法’，因為它的紫外線波長較短，很容易被周圍介質(zhì)吸收，因此在宇宙誕生不到 5 億年時，沒有一個星系向我們展示過這種特殊的光?！?/p>

維斯托克和他的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，其中一個最遙遠(yuǎn)的星系，被稱為 JADES-GS-z13-1，正發(fā)出明亮的萊曼阿爾法光。

但是萊曼阿爾法如何才能逃離被致密中性氣體籠罩的星系呢？

“從我們的理論和計算機模擬以及后期的觀測中，我們知道來自星系的最強紫外線會‘炸毀’周圍的中性氣體，在它們周圍形成電離透明氣泡，”Witstok 詳細(xì)闡述道。“這些氣泡滲透到宇宙中，大約十億年后，它們最終重疊，完成了再電離時代。我們相信我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了第一個這樣的氣泡。”

換句話說，萊曼阿爾法光的探測是電離氣泡的明顯特征，因為否則它將無法逃逸。

如果沒有詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡的靈敏度及其逐波長探索星系光的能力，這些觀測是不可能實現(xiàn)的。

“我們在建造韋伯望遠(yuǎn)鏡時就知道，我們會發(fā)現(xiàn)一些最遙遠(yuǎn)的星系，”DAWN 附屬教授、詹姆斯·韋伯光譜儀 NIRSpec 的項目科學(xué)家、這項研究的第二作者彼得·雅各布森 (Peter Jakobsen) 說道?！暗覀冎荒軌粝胗幸惶炷軌蛉绱嗽敿?xì)地探測它們，以至于我們現(xiàn)在可以直接看到它們?nèi)绾斡绊懻麄€宇宙。”

問題仍然是電離氣泡的確切成因。盡管人們認(rèn)為第一批恒星非常熱，紫外線極其明亮，但還有另一種可能性：

“已知大多數(shù)星系的中心都有一個超大質(zhì)量黑洞。當(dāng)這些龐然大物吞噬周圍的氣體時，氣體會被加熱到數(shù)百萬度，使其在永遠(yuǎn)消失之前在 X 射線和紫外線下發(fā)出明亮的光芒。這是氣泡的另一個可能原因，我們現(xiàn)在將對此進(jìn)行調(diào)查，”Witstok 總結(jié)道。

編譯自/ScitechDaily