來自宇宙黎明的“化石”星系

由金澤大學中島王彥準教授領銜的國際研究團隊宣布：通過詹姆斯·韋布太空望遠鏡的觀測，他們在宇宙誕生約8億年后（即距今約130億年前）存在的極微小星系“LAP1-B”中，檢測到了觀測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注，因為它可能直接捕捉到了被稱為“宇宙化石”的天體形成現場——這些遺跡至今仍存在于現代宇宙中。此研究成果論文已發表在學術期刊《自然》上。

▲ 詹姆斯·韋布空間望遠鏡觀測到的星系團“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），則被認為是在之后誕生的恒星內部逐漸形成的。

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

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

借助引力透鏡與韋布望遠鏡，研究人員終于看清它的樣貌

研究團隊表示，本次研究結合了韋布空間望遠鏡強大的紅外光譜觀測能力（即通過獲取天體在不同波長上的光強分布，并依據其特征分析天體中元素種類與含量的方法），以及星系團“MACS J0416”的質量所產生的引力透鏡效應，最終成功對LAP1-B進行了超高靈敏度觀測。

所謂“引力透鏡效應”，是指前景天體巨大的質量扭曲了周圍時空，使來自其后方遙遠天體的光線路徑發生彎曲，從而讓遠方天體的影像出現變形或被放大的現象。此次觀測到的LAP1-B，其發出的光在引力透鏡效應作用下被放大了約100倍。

研究團隊對觀測數據進行分析后發現，在LAP1-B的恒星形成區域（即氣體與塵埃正在形成新恒星的區域）中，氧元素豐度（相對于氫元素的氧元素豐度）僅約為太陽的240分之一。正在形成恒星的星系中這是迄今為止觀測到的最低值，也意味著這個星系整體仍處于極其原始的化學演化階段。

此外，研究人員還發現，LAP1-B碳元素的比例相對于氧元素的比例卻異常高。研究團隊表示，這種元素組成與理論上預測的“第一代恒星發生爆發后所產生的元素分布”高度一致，因此他們認為，這項觀測可能首次捕捉到了由第一代恒星制造出的元素，被后續星系繼承下來的過程。

▲ 展示星系恒星質量與相對于氫元素的氧元素豐度的關系圖。LAP1-B被認為刷新了正在形成恒星的星系中最低氧豐度的觀測紀錄（來源: K. Nakajima et al., Nature）

▲ 展示氧元素豐度與碳氧元素比例關系的圖表。LAP1-B呈現出“氧含量極低、碳比例卻較高”的特征（來源: K. Nakajima et al., Nature）

有望揭開“宇宙化石”的起源

此外，研究還顯示，LAP1-B的恒星總質量非常小，不到太陽的3300倍，其中大部分質量被無法通過電磁波直接觀測到的暗物質所占據。

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。長期以來，超低光度矮星系一直被認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，至今仍有許多謎團尚未解開。

此次的發現有望成為揭示超低光度矮星系形成機制的重要線索。研究團隊未來計劃繼續尋找氧元素豐度更低的天體，并結合下一代大型望遠鏡的高靈敏度觀測，進一步嘗試確認由第一代恒星聚集形成、并發出光芒的“第一代星系”。

▲ 位于玉夫座的超低光度矮星系“Sculptor A（玉夫座A）”（來源: DECaLS/DESI Legacy Imaging Surveys/LBNL/DOE & KPNO/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA；Image Processing: T.A. Rector, M. Zamani & D. de Martin）

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

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來源：牧夫天文

編輯：子木

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