來(lái)自宇宙黎明的“化石”星系

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主譯：酥油餅

校對(duì)：孫宇峰

審核：牧夫天文校對(duì)組

美編：蘇奕月

后臺(tái)：王啟儒

https://sorae.info/astronomy/20260516-ufd-jwst.html

由金澤大學(xué)中島王彥準(zhǔn)教授領(lǐng)銜的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)宣布：通過(guò)詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)，他們?cè)谟钪嬲Q生約8億年后（即距今約130億年前）存在的極微小星系“LAP1-B”中，檢測(cè)到了觀測(cè)史上最低的氧含量比例（即氧與氫的比例）。

此次研究成果備受關(guān)注，因?yàn)樗赡苤苯硬蹲降搅吮环Q為“宇宙化石”的天體形成現(xiàn)場(chǎng)——這些遺跡至今仍存在于現(xiàn)代宇宙中。此研究成果論文已發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

▲ 詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的星系團(tuán)“MACS J0416”（背景）以及存在于約130億年前早期宇宙中的天體“LAP1-B”（放大圖）

來(lái)源: NASA, ESA, CSA & K. Nakajima et al., Nature

探尋“第一代恒星”痕跡的難度

在大爆炸剛發(fā)生后的早期宇宙中，只存在氫、氦等輕元素。而生命元素氧、碳等較重元素（即比氫和氦更重的元素總稱），則被認(rèn)為是在之后誕生的恒星內(nèi)部逐漸形成的。

其中，宇宙中最早誕生的恒星—— “第一代恒星”究竟是在何時(shí)、以何種方式制造出這些重元素，并將其擴(kuò)散到宇宙空間中的，一直都是現(xiàn)代天文學(xué)最基礎(chǔ)、也最重要的問(wèn)題之一。

如果能夠直接捕捉到第一代恒星制造出的元素痕跡，就將成為理解當(dāng)今宇宙中星系與恒星形成過(guò)程的重要線索。然而，存在于早期宇宙中的星系普遍極其暗弱、體積微小，因此要詳細(xì)分析它們的元素組成非常困難。這次觀測(cè)對(duì)象“LAP1-B”同樣是一個(gè)恒星數(shù)量極少、亮度極低的微型星系。

借助引力透鏡與韋布望遠(yuǎn)鏡，研究人員終于看清它的樣貌

研究團(tuán)隊(duì)表示，本次研究結(jié)合了韋布空間望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大的紅外光譜觀測(cè)能力（即通過(guò)獲取天體在不同波長(zhǎng)上的光強(qiáng)分布，并依據(jù)其特征分析天體中元素種類與含量的方法），以及星系團(tuán)“MACS J0416”的質(zhì)量所產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng)，最終成功對(duì)LAP1-B進(jìn)行了超高靈敏度觀測(cè)。

所謂“引力透鏡效應(yīng)”，是指前景天體巨大的質(zhì)量扭曲了周圍時(shí)空，使來(lái)自其后方遙遠(yuǎn)天體的光線路徑發(fā)生彎曲，從而讓遠(yuǎn)方天體的影像出現(xiàn)變形或被放大的現(xiàn)象。此次觀測(cè)到的LAP1-B，其發(fā)出的光在引力透鏡效應(yīng)作用下被放大了約100倍。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在LAP1-B的恒星形成區(qū)域（即氣體與塵埃正在形成新恒星的區(qū)域）中，氧元素豐度（相對(duì)于氫元素的氧元素豐度）僅約為太陽(yáng)的240分之一。正在形成恒星的星系中這是迄今為止觀測(cè)到的最低值，也意味著這個(gè)星系整體仍處于極其原始的化學(xué)演化階段。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，LAP1-B碳元素的比例相對(duì)于氧元素的比例卻異常高。研究團(tuán)隊(duì)表示，這種元素組成與理論上預(yù)測(cè)的“第一代恒星發(fā)生爆發(fā)后所產(chǎn)生的元素分布”高度一致，因此他們認(rèn)為，這項(xiàng)觀測(cè)可能首次捕捉到了由第一代恒星制造出的元素，被后續(xù)星系繼承下來(lái)的過(guò)程。

▲ 展示星系恒星質(zhì)量與相對(duì)于氫元素的氧元素豐度的關(guān)系圖。LAP1-B被認(rèn)為刷新了正在形成恒星的星系中最低氧豐度的觀測(cè)紀(jì)錄（來(lái)源: K. Nakajima et al., Nature）

▲ 展示氧元素豐度與碳氧元素比例關(guān)系的圖表。LAP1-B呈現(xiàn)出“氧含量極低、碳比例卻較高”的特征

來(lái)源: K. Nakajima et al., Nature

有望揭開(kāi)“宇宙化石”的起源

此外，研究還顯示，LAP1-B的恒星總質(zhì)量非常小，不到太陽(yáng)的3300倍，其中大部分質(zhì)量被無(wú)法通過(guò)電磁波直接觀測(cè)到的暗物質(zhì)所占據(jù)。

這些特征與如今分布在銀河系周圍的“超低光度矮星系（Ultra Faint Dwarf Galaxy）”非常相似。長(zhǎng)期以來(lái)，超低光度矮星系一直被認(rèn)為是保存著早期宇宙信息的“宇宙化石”，但它們究竟是如何形成的，至今仍有許多謎團(tuán)尚未解開(kāi)。

此次的發(fā)現(xiàn)有望成為揭示超低光度矮星系形成機(jī)制的重要線索。研究團(tuán)隊(duì)未來(lái)計(jì)劃繼續(xù)尋找氧元素豐度更低的天體，并結(jié)合下一代大型望遠(yuǎn)鏡的高靈敏度觀測(cè)，進(jìn)一步嘗試確認(rèn)由第一代恒星聚集形成、并發(fā)出光芒的“第一代星系”。

▲ 位于玉夫座的超低光度矮星系“Sculptor A（玉夫座A）”

來(lái)源: DECaLS/DESI Legacy Imaging Surveys/LBNL/DOE & KPNO/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA；Image Processing: T.A. Rector, M. Zamani & D. de Martin

責(zé)任編輯：甘林

牧夫新媒體編輯部

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