宇宙的“悬崖” 恒星泛起涟漪

　　2022年12月，远在外太空的詹姆斯·韦伯太空望远镜（下文简称“韦伯望远镜”）向地面传回了新拍摄的星系数据。从这堆照片当中，NASA科学家挑出了一张，宣布“照片里的这几个星系就是我们目前发现的宇宙中最遥远的星系了”；不过近日，一个国际天文学家团队在《科学》杂志上宣布，他们又利用韦伯望远镜发现了有史以来最早和最遥远的两个星系，其历史可以追溯到大爆炸后仅2.9亿年，标志着早期宇宙研究的一个重要里程碑，人们又一次将目光聚焦到更为古老和久远的宇宙深处……

　　文/广州日报全媒体记者 程依伦

　　新发现光谱再创纪录

　　拍到更遥远、更早期的星系

　　星系是恒星诞生、度过一生和死亡的地方。身处银河系的内部，我们看不清自己所在星系的模样， 如果想要获得属于银河系的“自拍照”，就需要飞越直径超过100,000光年的整个银河系才能看到整个结构。显然，目前人类还没有办法飞那么远，因此科学家们希望通过其他星系来更好地了解我们自己的星系，而韦伯望远镜提供了这种可能性。

　　据NASA官方博客5月30日消息，韦伯望远镜刚刚发现了有史以来最遥远的已知星系。原来，过去两年中，科学家们利用韦伯望远镜探索了天文学家所说的“宇宙黎明”——大爆炸后最初几亿年内第一批星系诞生的时期，并于近日在《科学》杂志上宣布，他们利用韦伯望远镜的近红外光谱仪 (NIRSpec)获得了创纪录的星系光谱，该星系是在大爆炸后仅2.9亿年就被观测到的，这些星系为人类了解宇宙年轻时的气体、恒星和黑洞变化方式提供了重要的见解。

　　这两个破纪录的星系被称为JADES-GS-z14-0和JADES-GS-z14-1：其中，JADES-GS-z14-0是较遥远的星系，它还因其巨大和明亮而引人注目；在经过近红外光谱仪的将近10个小时观测后，最终结果显示该星系的红移为14.32，打破了之前最遥远星系纪录（JADES-GS-z13-0的红移为13.2）。

　　“这一发现不仅仅是我们团队的距离新纪录，更重要的是，我们知道了在这个距离下，这个星系本质上一定非常明亮。从图像中可以看出，光源的宽度超过1,600光年，证明我们看到的光主要来自年轻恒星，而不是来自正在增长的超大质量黑洞附近的发射。”意大利比萨高等师范学校的 Stefano Carniani表示，“如此多的星光，意味着该星系的质量是太阳的几亿倍。这也引出了一个问题：宇宙是如何在不到3亿年的时间里形成如此明亮、巨大和庞大的星系呢？”

　　来自斯图尔德天文台和亚利桑那大学的JADES研究员Jake Helton表示，中红外仪器观测暗示的光源亮度高于韦伯仪器推断出的亮度。“这表明星系中存在强烈的电离气体发射，形式为氢和氧的明亮发射线，说明在该星系生命早期就已经存在氧气，并且有了多代非常大的恒星诞生了。”

　　由此可见，早期宇宙中的星系形成非常迅速和强烈，尽管如此年轻，但银河系却在努力创造我们在地球上熟悉的元素。在未来，韦伯望远镜将帮助人类发现更多更年轻的星系，这是研究早期星系如何演变的绝佳机会。

　　探索螺旋星系内部

　　拍到有史以来最清晰的宇宙尘埃

　　早在今年1月29日，韦伯望远镜更是拍到了有史以来最清晰的宇宙尘埃，这次观测同样归功于其近红外摄像机和中红外仪器，它们显示了大约10万个星团和数以百万计的恒星。这些恒星聚集在一起，分布在19个螺旋星系的旋臂内。

　　凭借先进的红外功能，韦伯望远镜成功地穿透了宇宙尘埃，揭示出这些螺旋星系内的结构——图像中，那些红色、橙色的发光缕正生动地呈现着令人惊叹的星际气体和尘埃奇观；而那特别亮的红色区域内，则酝酿着一颗新恒星的诞生。

　　据了解，这些韦伯望远镜的图像正是一个大型长期项目——全球“附近星系高角度分辨率物理学项目”（PHANGS）计划的一部分。该项目核心成员、科学家珍妮丝·李在一份声明中这样描述这组新图像：“韦伯太空望远镜的新图像非同寻常。星系中的气泡和尘埃被分解至有史以来观察到的最小尺度，并讲述了恒星形成周期的情况。”

　　除此之外，图像中还闪耀着数百万颗蓝色恒星，这些恒星有些分布在19个星系的旋臂内，有些则聚集在星团之中。PHANGS 核心成员、加拿大阿尔伯塔大学物理学教授埃里克·罗索诺维斯基表示：“我们可以找到星系中最新、质量最大的恒星。”

　　不过，螺旋星系最令人惊叹的特征还是它们的“手臂”。这些“手臂”从密集恒星的中心核辐射出来，形成一个标志性的螺旋。通过追踪这些“手臂”，天文学家可以发现螺旋星系中气体和尘埃的分布，以及星系是如何培育及停止恒星形成的。有证据表明，星系的生长过程是从内到外发生的——较年轻的恒星离星系核心更远，位于旋臂之上；较老的恒星则更靠近星系中心，笼罩在一片蓝色光亮之中。

　　韦伯望远镜拍摄到的恒星数量是如此空前，这意味着科学家可以利用合并的数据进行多方位的研究。“通过对所有类型的恒星进行精确编目，我们可以建立一个更可靠、更全面的星系生命周期视图，从而填补在星系结构和演化、恒星形成、恒星生命周期等方面的知识空白。”美国俄亥俄州立大学天文学教授阿达姆·勒罗伊说。

　　不断“望穿”星系

　　人类理解家园有了更大视角

　　韦伯望远镜于2021年12月25日发射升空，2022年1月24日顺利进入围绕日地系统第二拉格朗日点的运行轨道；2022年7月中旬，韦伯望远镜正式开始工作，拍摄第一批用于科学研究的照片。自发射升空两年多以来，它可以观察到比哈勃望远镜更古老、更遥远的天体；可以“看到”大爆炸后第一批星系的形成；可以拍摄到在宇宙中发出微弱光亮的物体尘埃……

　　时间回到2022年7月11日，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）拍摄的图像被首次公布：那是一张像是五光十色的珠宝缀满黑天鹅绒毯的照片，包含了有史以来人们在红外波段观察到的最暗的天体，以及成千上万的星系团。照片中的主角，是天文编号SMACS 0723的星系团。

　　这尚且还只是韦伯望远镜为天文学盛宴带来的“开胃菜”。两年来，韦伯望远镜填补了不少数据的空白与细节。

　　它拍到过距离我们16.1万光年的蜘蛛星云，让我们得以一瞥宇宙的“正午时分”；它也拍到过距离地球2000多光年远的环状星云，那是一颗正在垂死之中的恒星；它更拍到过“创世之柱”与“宇宙悬崖”，为世人呈现下了宇宙惊艳的一面。

　　步入2023年，韦伯望远镜也不断提供着令人叹为观止且具有科学价值的宇宙图像，这些发现，持续改变着人们对宇宙的理解。

　　去年2月23日，韦伯太空望远镜就公布了一组“本不应该存在”的巨大星系——据悉，科学家用韦伯望远镜观察到宇宙大爆炸后大约5亿到7亿年形成的一组大质量星系，当时宇宙的年龄只有如今的3%，但这些星系中的恒星质量是太阳的100亿倍，其中一个星系中的恒星质量可能是太阳的1000亿倍。

　　宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学助理教授乔尔·莱亚在一份声明中说，“在以前被认为是‘宇宙黎明’的时分，我们本以为只会发现微小年轻的婴儿星系，但却发现了和我们银河系一样成熟的星系。”而这些“早熟”的星系，可能会改变人类对宇宙中星系起源的认识，如果被证实，那就说明星系演变比人类认识到的要快得多。这就需要改变既往宇宙模型，或者改变人类对星系起源的理解。因此，这一发现，也被称为是改变“宇宙教科书”的发现。

　　到了今年4月底，NASA又发布了通过韦伯望远镜拍摄到的迄今为止最清晰的马头星云部分图像，图像中甚至详细地显示了其“鬃毛”。而在此一个月后，它又发现了有史以来最遥远的已知星系……

　　天文学是一门研究地外宇宙的学科。就像第一批登上月球的宇航员回望地球时一样，人类第一次看到自己的家园是一个“漂浮在黑暗太空中的蓝色小球体”；而研究星系，将会让我们对自己的家有一个更大的视角。

　　“宇宙悬崖”与“创世之柱”

　　韦伯望远镜拍摄到的最为经典的两张宇宙图像。一是“宇宙悬崖”，另一张则是“创世之柱”。

　　“宇宙悬崖”是船底座星云边缘的一条类似于悬崖的尘埃云，距离地球约7600光年。过去因为星际尘埃的阻挡，尘埃云中的细节无法辨认，2022年7月12日，利用韦伯望远镜远离大气层的红外探测功能，“宇宙悬崖”的细节更加清晰地展现在人们的眼前。

　　而2022年10月19日，韦伯望远镜拍摄到的“创世之柱”红外影像，则相比哈勃望远镜所捕捉到的图像，显示出更多丰富浪漫的细节——这个“三维柱子”看起来像雄伟的岩层，但渗透性要强得多，柱体则由冷的星际气体和尘埃组成，有时在近红外光下呈半透明状。韦伯望远镜对“创世之柱”的新呈现，将帮助研究人员更清楚地了解数百万年来，恒星是如何形成的，又是如何从这些尘埃云中爆发的。