韦伯探索宇宙黎明：见证第一批以冷气体为食的星系

韦伯探索宇宙黎明：见证第一批以冷气体为食的星系这幅插图显示了一个在宇宙大爆炸后几亿年才形成的星系，在重离子时代，气体是透明和不透明的混合体。来自美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的数据显示，这些早期星系附近存在大量冷的中性气体--而且这些气体的密度可能比预期的要高。韦伯望远镜在2022年开始观测几个月后，作为其宇宙演化早期释放科学（CEERS）调查的一部分观测到了这些星系。CEERS包括图像和来自其NIRSpec（近红外摄谱仪）上微型遮光器的光谱数据。作为韦伯早期发布科学（ERS）计划的一部分，CEERS的数据被立即发布，以支持类似的发现。资料来源：NASA、ESA、CSA、JosephOlmsted（STScI）只有詹姆斯-韦伯太空望远镜才能探测和研究这些星系，当宇宙只有几亿年历史时，这些星系就在稠密、不透明的气体中形成了。虽然我们并不清楚第一批恒星开始闪耀的确切时间，但我们知道它们一定是在氢原子和氦原子形成的重组时代（宇宙大爆炸后38万年）之后的某个时间，也就是在已知最古老的星系出现之前（宇宙大爆炸后4亿年）形成的。第一批恒星发出的紫外线将充满宇宙的中性氢气分解成氢离子和自由电子，开启了重电离时代，结束了宇宙的黑暗时代。资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI研究人员通过分析美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜（NASA'sJamesWebbSpaceTelescope）的数据，确定了三个星系的位置，它们可能正在积极形成，当时宇宙的年龄只有4亿到6亿年。韦伯的数据显示，这些星系被气体包围，研究人员怀疑这些气体几乎纯粹是氢和氦，它们是宇宙中最早存在的元素。韦伯望远镜的仪器非常灵敏，因此能够探测到这些星系周围异常密集的气体。这些气体最终很可能会为星系中新恒星的形成提供燃料。"这些星系就像是在一片原本中性、不透明的气体海洋中闪闪发光的岛屿，"第一作者、丹麦哥本哈根大学宇宙黎明中心（DAWN）天体物理学助理教授卡斯帕-海因茨（KasperHeintz）解释说。"如果没有韦伯望远镜，我们就无法观测到这些非常早期的星系，更不用说了解它们的形成过程了。""我们正在摒弃将星系视为孤立生态系统的看法。在宇宙历史的这一阶段，星系都与星系间介质及其原始气体细丝和结构紧密相连，"合著者、同时也是破晓天文台的博士生西蒙娜-尼尔森（SimoneNielsen）补充说。130多亿年前，在重离子时代，宇宙是一个非常不同的地方。星系之间的气体在很大程度上对高能光不透明，因此很难观测到年轻的星系。随着恒星和年轻星系的不断形成和演化，它们开始改变周围的气体。经过数亿年的时间，气体从中性、不透明的气体转变为电离、透明的气体。资料来源：NASA、ESA、CSA、JoyceKang（STScI）在韦伯望远镜的图像中，这些星系看起来就像模糊的红色污点，因此额外的数据（即光谱）对研究小组的结论至关重要。这些光谱显示，这些星系发出的光被大量中性氢气吸收。合著者之一、破晓天文台教授达拉赫-沃森（DarachWatson）说："这些气体一定非常广泛，覆盖了星系的很大一部分。这表明我们看到的是中性氢气体聚集成星系的过程。这些气体将继续冷却、凝结，并形成新的恒星。"宇宙大爆炸后的几亿年，也就是所谓的"重离子时代"（EraofReionization），当时的宇宙与现在截然不同。(恒星和星系之间的气体在很大程度上是不透明的。整个宇宙的气体直到宇宙大爆炸后10亿年左右才变得完全透明。星系中的恒星对其周围的气体进行加热和电离，使气体最终变得完全透明。）通过将韦伯的数据与恒星形成模型相匹配，研究人员还发现这些星系主要拥有年轻恒星群。"沃森补充说："我们看到大量气体储层的事实也表明，这些星系还没有足够的时间形成大部分恒星。韦伯不仅实现了推动其开发和发射的任务目标，而且还超越了这些目标。"这些遥远星系的图像和数据在韦伯之前是不可能获得的，"合著者、破晓天文台副教授加布里埃尔-布拉莫尔（GabrielBrammer）解释说。"另外，当我们第一次瞥见这些数据时，我们对将要发现的东西已经有了很好的感觉--我们几乎是靠眼睛来发现的"。还有许多问题需要解决。这些气体具体在哪里？有多少位于星系中心附近，或者星系外围？这些气体是原始的，还是已经充满了更重的元素？未来还有大量研究工作要做。"海因茨说："下一步是建立大型星系统计样本，详细量化星系特征的普遍性和显著性。深深地凝视这幅广阔的图景。它是由詹姆斯-韦伯太空望远镜（JamesWebbSpaceTelescope）用近红外线拍摄的多幅图像拼接而成的--它实际上是在活动着。图片来源：NASA、ESA、CSA、SteveFinkelstein（UTAustin）、MicaelaBagley（UTAustin）、RebeccaLarson（UTAustin）、AlyssaPagan（STScI）研究人员的发现得益于韦伯望远镜的宇宙演化早期发布科学（CEERS）调查，其中包括来自望远镜近红外摄谱仪（NIRSpec）的遥远星系的光谱，并作为韦伯早期发布科学（ERS）计划的一部分立即发布，以支持类似的发现。这项研究成果发表在2024年5月24日出版的《科学》杂志上。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434859.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434859.htm

新研究：早期宇宙中的恒星质量甚至比太阳大10万倍

新研究：早期宇宙中的恒星质量甚至比太阳大10万倍但研究人员发现，早期宇宙中充斥着超大质量恒星，都是太阳质量的几万倍。它们诞生得很快，寿命也很短。而且在这些巨大恒星消亡后，有利于它们再次形成的条件也不复存在。130多亿年前的宇宙大爆炸后不久，整个宇宙中还没有恒星，几乎全是充斥着温暖中性气体的热汤，其中绝大部分是氢和氦。在长达几亿年的时间里，这些中性气体开始堆积成密度越来越大的物质团。这段时期被称为宇宙黑暗时代。在现代宇宙中，致密物质会迅速坍缩形成恒星。这是因为现代宇宙拥有早期宇宙所缺乏的重元素。重元素可以有效将能量辐射出去，使得致密团块迅速收缩，从而触发聚变反应，将较轻元素融合成较重元素，这也是恒星的能量来源。但宇宙中生成重元素的唯一方法也是通过同样的聚变过程。一代又一代的恒星形成、聚合又消亡，使宇宙物质逐步丰富到现在的状态。由于氢和氦等元素不具备快速释放热量的能力，第一代恒星必须在完全不同、非常困难的条件下形成。为了揭开第一代恒星如何形成的谜题，天体物理学家转而用计算机模拟宇宙黑暗时代的演进过程，目的是了解当时发生了什么。一些早期开展的模拟工作预测，第一批恒星质量可能是太阳的数百倍，而后来的模拟表明，它们应该是现在的正常恒星大小。但最近天体物理学家通过模拟又发现，早期宇宙中形成的恒星要比现在大得多。今年1月份，他们通过发表在预印本数据库arXiv上的一篇论文报告了自己的发现，并提交给《皇家天文学会月报》进行同行评审。这项新研究中的计算机模拟过程包含了所有常见的宇宙学成分：帮助星系成长的暗物质、中性气体的演化和聚集，既可以冷却气体、有时又能重新加热气体的辐射过程。但他们的研究还引入了宇宙中快速移动的冷却物质流，这种其他研究中所欠缺的所谓“冷锋”会猛烈撞击已经形成的天体结构。研究人员发现，在第一颗恒星形成之前，存在着复杂的相互作用：中性气体开始聚集在一起；氢和氦释放出少量的热量，这使得中性气体团块的密度慢慢升高。但高密度气体团块变得非常热，产生的辐射分解了中性气体，还阻止其分裂成许多更小的团块。这意味着由这些气体团块形成的恒星可以变得非常大。这种辐射和中性气体之间来来回回的相互作用催生出大量中性气体，宇宙中的第一个星系就是这样形成的。原星系深处的气体先是形成快速旋转的吸积盘，也就是在大质量天体周围形成快速流动的物质环，包括现代宇宙中的黑洞都是这样的。而在原星系的外缘，气体冷锋如雨点般落下。那些最冷的致密物质流甚至能穿透原星系，一直延伸到吸积盘。这些冷锋猛烈撞击着吸积盘，使它们的质量和密度迅速增加到临界阈值，破坏了气体团块的稳定性，引发大量物质的瞬间坍塌，第一批恒星就这样诞生了。第一批恒星并不像现在的太阳这种典型聚变过程。它们都是巨大的中性气体团块，聚变核心直接就被触发了，跳过了中性气体团块分裂成小块的阶段，从而使得直接坍塌形成的恒星质量非常大。第一批恒星非常明亮，寿命极短，往往不到100万年，然后就会发生超新星爆炸。相比之下，现代宇宙中的恒星可以存活几十亿年的时间。第一批恒星的爆炸会将内部聚变反应的产物，也就是那些比氢和氦更重的元素抛向宇宙，然后为下一批恒星的形成埋下种子。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350231.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350231.htm

詹姆斯·韦布空间望远镜探测到宇宙早期星系中存在碳

詹姆斯·韦布空间望远镜探测到宇宙早期星系中存在碳  研究示意图。图片来源：物理学家组织网早期宇宙几乎完全由最简单的氢元素，以及少量氦和锂组成。而现在观察到的宇宙中所有其他元素都在恒星内部形成。当恒星爆炸成超新星时，产生的元素在宿主星系内循环，孕育下一代恒星。随着每一代新恒星和“星尘”诞生，越来越多金属形成，宇宙进化到可以支持地球等岩石行星的存在以及生命的繁衍生息。在最新研究中，科学家使用韦布望远镜观测了一个宇宙大爆炸后仅3.5亿年就已经存在的星系，这是迄今科学家探测到的最遥远的星系之一。他们使用韦布的近红外光谱仪，将来自该年轻星系的光分解成一系列颜色。鉴于不同元素会在星系光谱中留下不同的化学“指纹”，科学家由此可确定其化学成分。光谱分析“可靠地”检测到了碳，“初步”检测到了氧和氖。研究人员表示，此前认为宇宙大爆炸后约10亿年碳才开始大量聚集，但他们发现碳形成得更早。这意味着第一批恒星的运行方式可能非常不同。鉴于碳是人类已知生命的基础，生命在宇宙中进化的时间可能比现在认为的早得多。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434477.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434477.htm

新发现更清晰地描绘了早期宇宙中星系的形成和成长过程

新发现更清晰地描绘了早期宇宙中星系的形成和成长过程最近发表在《英国皇家天文学会月刊》（MNRAS）上的一篇论文描述了这项研究，揭示了遥远星系内部温度变化的明显证据。这表明存在两个独特的热源--星系核心的巨大黑洞和周围旋转盘中新形成的恒星所产生的热量。论文第一作者、堪培拉澳大利亚国立大学（ANU）的TakafumiTsukui博士说："星系尘埃的温度会因所在区域的不同而有很大差异。但由于仪器分辨率有限，过去对遥远星系尘埃温度的测量大多是针对整个星系的。我们能够按区域测量温度，从而确定有多少热量来自单个来源。以前，这种测绘大多局限于附近的星系。"这项研究揭示了中央区域温暖尘埃与外围区域较冷尘埃之间的明显区别，前者的热量来自星系的超大质量黑洞，后者则可能是恒星形成所产生的热量。大多数星系的中心都有一个超大质量黑洞，人们认为黑洞的质量会随着星系的增长而增长。当气体向黑洞吸积时，黑洞附近快速运动的粒子碰撞会使气体升温，有时会比星系本身的恒星体更亮。Tsukui博士说："来自黑洞的加热能量反映了被注入黑洞的气体数量，因此也反映了黑洞的增长速度，而来自恒星形成的加热能量则反映了星系中新形成的恒星数量，也就是星系的增长速度。这一发现让我们对早期宇宙中星系和中心大质量黑洞是如何形成和成长的有了更清晰的认识"。目前的研究之所以能够完成，要归功于欧洲南方天文台（ESO）在智利运行的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）望远镜。"这项研究展示了由欧洲南方天文台（ESO）操作的ALMA望远镜的详细绘图能力，"Astro3D主任艾玛-瑞安-韦伯（EmmaRyan-Weber）教授说。"ALMA是测量毫米波和亚毫米波辐射的最强大阵列。令人难以置信的是，ALMA可以观测一个有120亿年历史的星系，并将图像分成两部分--一部分是中央超大质量洞加热的尘埃，另一部分是底层宿主星系中的尘埃。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1373897.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1373897.htm

韦伯揭示了早期宇宙中紧凑星系的物理特性

韦伯揭示了早期宇宙中紧凑星系的物理特性最早的星系发出的光逐渐使星系间介质中的大部分气体电离，改变了宇宙，使其变得透明。然而，再电离的精确时间表和宇宙最早的星系对这一过程的相对贡献仍然不确定。艺术家对詹姆斯-韦伯太空望远镜的构想。资料来源：NASAGSFC/CIL/AdrianaManriqueGutierrezHayleyWilliams及其同事报告了JWST对一个被引力透镜放大的遥远星系的近红外成像和光谱学观测。观察到的星系位于红移9.5，相当于大爆炸后约5.1亿年，再电离完成之前。引力透镜提供的高放大率使作者能够探测到这个本质上微弱的星系，并获得具有强烈星云发射线的光谱信息，从而揭示了该星系的一些物理特性。根据Williams等人的说法，研究结果显示，该星系的半径为16.2帕斯卡，比其他具有同等光度的星系要紧凑得多，这表明有高密度的恒星形成。更重要的是，光谱分析显示，该星系有丰富的氧气和氢气。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1354665.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1354665.htm

韦伯望远镜首次捕捉到宇宙最早期星系的诞生过程

韦伯望远镜首次捕捉到宇宙最早期星系的诞生过程这幅插图显示了一个在宇宙大爆炸后几亿年才形成的星系，在重离子时代，气体是透明和不透明的混合体。来自美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的数据显示，这些早期星系附近存在大量冷的中性气体--而且这些气体的密度可能比预想的要高。韦伯望远镜在2022年开始观测几个月后，作为其宇宙演化早期释放科学（CEERS）调查的一部分观测到了这些星系。CEERS包括图像和来自其NIRSpec（近红外摄谱仪）上微型遮光器的光谱数据。作为韦伯早期发布科学（ERS）计划的一部分，CEERS的数据被立即发布，以支持类似的发现。资料来源：NASA、ESA、CSA、JosephOlmsted（STScI）这一发现是利用詹姆斯-韦伯太空望远镜（JamesWebbSpaceTelescope）完成的，该望远镜为我们地球上的人们带来了对形成中星系的首次"实时观测"。通过这架望远镜，研究人员能够看到大量气体发出的信号，这些气体在形成过程中不断积累并吸附到一个小型星系上。虽然根据理论和计算机模拟，星系就是这样形成的，但实际情况却从未出现过。"可以说，这是我们看到的第一张'直接'拍摄的星系形成图像。詹姆斯-韦伯之前向我们展示的是处于演化后期的早期星系，而在这里，我们见证了它们的诞生，从而也见证了宇宙中第一批恒星系统的构建。"尼尔斯-玻尔研究所的卡斯帕-埃尔姆-海因茨助理教授说，他领导了这项新研究。这项研究发表在备受推崇的科学杂志《科学》上。他们是如何做到的：研究人员利用复杂的模型，研究了来自这些星系的光线是如何被其内部和周围的中性气体吸收的，从而能够测量出宇宙第一批星系的形成过程。这种转变被称为莱曼-阿尔法转变。通过测量光线，研究人员能够将新形成的星系中的气体与其他气体区分开来。这些测量结果之所以能够实现，要归功于詹姆斯-韦伯太空望远镜极其灵敏的红外摄谱仪功能。大爆炸后不久诞生的星系研究人员估计，这三个星系的诞生大约发生在宇宙大爆炸之后的4-6亿年。虽然这听起来像是一个很长的时间，但它相当于在宇宙138亿年总寿命的前3%到4%的时间里形成的星系。宇宙大爆炸后不久，宇宙还是一团由氢原子组成的巨大不透明气体--与今天不同的是，今天的夜空中布满了轮廓分明的恒星。"在宇宙大爆炸后的几亿年里，第一批恒星形成，之后恒星和气体开始凝聚成星系。"达拉赫-沃森（DarachWatson）副教授解释说："这就是我们在观测中看到的开始过程。"星系的诞生发生在宇宙历史上被称为"再电离纪元"的时期，当时一些第一批星系的能量和光线冲破了氢气迷雾。研究人员正是利用詹姆斯-韦伯太空望远镜的红外视觉捕捉到了这些大量的氢气。这是迄今为止科研人员发现的对寒冷的中性氢气最遥远的测量，氢气是恒星和星系的组成部分。关于早期宇宙宇宙的"生命"始于大约138亿年前的一次巨大爆炸--宇宙大爆炸。这一事件产生了大量的亚原子粒子，如夸克和电子。这些粒子聚集在一起形成质子和中子，随后凝聚成原子核。宇宙大爆炸后大约38万年，电子开始围绕原子核运行，宇宙中最简单的原子逐渐形成。第一批恒星是在几亿年后形成的。在这些恒星的内部，形成了我们周围更大、更复杂的原子。后来，恒星凝聚成星系。我们已知最古老的星系是在宇宙大爆炸后大约3-4亿年形成的。我们的太阳系诞生于大约46亿年前--宇宙大爆炸后90多亿年。进一步了解我们的起源这项研究是由卡斯帕-埃尔姆-海因茨（KasperElmHeintz）与哥本哈根大学尼尔斯-玻尔研究所宇宙曙光中心的研究同事达拉赫-沃森（DarachWatson）、加布里埃尔-布拉莫尔（GabrielBrammer）和博士生西蒙妮-维加尔（SimoneVejlgaard）等人密切合作完成的。这项最新成果让他们离实现这一目标更近了一步。研究小组已经申请了更多的詹姆斯-韦伯太空望远镜的观测时间，希望能够扩大他们的新成果，了解更多关于星系形成的最早时代的信息。"目前，我们正在绘制新观测到的星系形成图，其细节比以前更加丰富。与此同时，我们也在不断尝试突破我们所能看到的宇宙的极限。因此，也许我们会走得更远，"SimoneVejlgaard说。研究人员认为，新知识有助于回答人类最基本的问题之一。"我们人类一直在问的一个最基本的问题是：'我们从哪里来？'在这里，我们通过揭示宇宙中一些最初的结构产生的时刻，拼凑出了更多的答案。"加布里埃尔-布拉莫尔（GabrielBrammer）副教授总结说："我们将进一步研究这个过程，希望能够拼凑出更多的拼图碎片。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1433169.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1433169.htm