天文学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）和阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA），在已知最遥远的星系JADES-GS-z14-0中，惊人地发现了氧和重金属等元素的存在。这一发现挑战了我们对宇宙早期星系形成速度的认知，暗示星系可能比我们之前认为的更快地形成和演化。

遥远星系的意外发现

JADES-GS-z14-0距离地球134亿光年，这意味着它形成于宇宙的早期阶段，大约在宇宙大爆炸后3亿年。宇宙大爆炸被认为是138亿年前发生的事件，标志着宇宙的诞生。这个星系最初是由JWST在2024年1月发现的。JWST通过观测人眼不可见的红外光，能够有效地回溯到宇宙的早期。它能捕捉到穿越数十亿年到达地球的光线，从而帮助我们了解“宇宙黎明”时期——即大爆炸后最初几亿年，第一批星系诞生的神秘时代。

在JWST初步观测后，天文学家使用位于智利阿塔卡马沙漠的ALMA进行了后续观测。令人惊讶的是，他们发现了氧和重金属的存在。这些元素的出现表明，在宇宙早期，星系的形成速度可能比预期的要快得多。

ALMA的探测结果发表在《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，而在那里你本应该只找到婴儿，”《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Sander Schouws在一份声明中表示。“结果表明，这个星系形成速度非常快，而且也在快速成熟，这为星系的形成速度远超预期提供了越来越多的证据。”

JADES-GS-z14-0富含重元素的事实让天文学家开始质疑早期星系的真实面貌，以及他们可能通过JWST和ALMA发现更多类似星系的潜力。

明亮的光芒引出惊喜

JADES-GS-z14-0的多个方面，包括其巨大的尺寸和亮度，都出乎意料。Schouws表示，在JWST调查的700个遥远星系中，尽管这个星系最遥远，但它的亮度却排在第三位。但人们通常认为，最古老的星系应该更小更暗，因为当时的宇宙规模要小得多。

“总的来说，宇宙早期星系与我们从哈勃和JWST的精美图像中看到的著名星系非常不同，”Schouws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。由于大量恒星在小范围内快速形成，因此条件更加极端。”

星系通常由巨大的气体云坍缩和旋转而形成，内部充满年轻的恒星，这些恒星主要由氦和氢等轻元素组成。随着恒星随时间演化，它们会产生氧和金属等较重的元素，这些元素会在恒星生命结束时爆炸并扩散到整个星系。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这一模型。研究作者表示，相反，该星系包含的重元素比预期多10倍。

“这些元素是由大质量恒星产生的，大量的氧表明已经诞生和死亡了好几代大质量恒星，”意大利比萨高等师范学校助理教授兼《天文学与天体物理学》研究的主要作者Stefano Carniani在一份声明中表示。“总而言之，（JADES-GS-z14-0）比预期的更成熟，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JWST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Rychard Bouwens表示，两架望远镜可以一起用于研究第一批星系的形成和演化。

“我对在JADES-GS-z14-0中清晰地探测到氧感到非常惊讶，”欧洲南方天文台欧洲ALMA区域中心的Gergo Popping在一份声明中说。Popping没有参与任何一项研究。

“这表明星系在大爆炸后形成的速率可能比之前认为的更快。这一结果展示了ALMA在揭示宇宙中第一批星系形成的环境中所发挥的重要作用。”

Carniani表示，虽然JWST可以帮助识别极其遥远的星系，但ALMA可以通过探测它们发出的远红外光来放大研究星系内部的气体和尘埃。研究这样的星系可以帮助揭示宇宙黎明时期遗留的许多谜团，例如宇宙最初开始后不久发生的事情以及第一批天体的身份。

该研究的作者认为，早期星系可能形成了比预期更多的恒星，而且恒星的质量也可能更大，这也将影响星系的整体亮度。

“这就像燃烧蜡烛：你可以有烛芯宽大的蜡烛，火焰明亮（大质量恒星），或者你可以有燃烧缓慢且高效的蜡烛（普通恒星），”Schouws说。

但他表示，还需要更多观察才能确切了解研究人员所看到的情况。

Carniani表示，该团队希望确定这个星系及其快速演化是否真正独特，或者在早期宇宙中是否存在更多类似的星系，因为仅凭一个天体不足以建立新的星系形成模型。