我們終于知道是什么在時(shí)間的黎明時(shí)打開(kāi)了燈

我們終于知道是什么為早期宇宙的黑暗和無(wú)形的虛空帶來(lái)了光明。

根據(jù)哈勃和詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，在宇宙早期黎明中自由飛行的光子起源是小的矮星系，它們閃耀著生命，清除了充滿(mǎn)星系間空間的渾濁氫霧。一個(gè)新論文關(guān)于這項(xiàng)研究的報(bào)道已于 2 月發(fā)表。

“這一發(fā)現(xiàn)揭示了超暗星系在早期宇宙演化中發(fā)揮的關(guān)鍵作用，”天體物理學(xué)家 Iryna Chemerynska 說(shuō)巴黎天體物理研究所的。

“它們產(chǎn)生電離光子，在宇宙再電離過(guò)程中將中性氫轉(zhuǎn)化為電離等離子體。它強(qiáng)調(diào)了了解低質(zhì)量星系在塑造宇宙歷史中的重要性。

在宇宙開(kāi)始時(shí)，在Big Bang，空間充滿(mǎn)了熱而濃密的電離等離子體霧。即使那里有一點(diǎn)點(diǎn)光，也無(wú)法穿透這霧;光子只會(huì)從漂浮的自由電子上散射開(kāi)來(lái)，從而有效地使宇宙變暗。

隨著宇宙冷卻，大約 300,000 年后，質(zhì)子和電子開(kāi)始聚集在一起形成中性氫（和一點(diǎn)點(diǎn)氦）氣體。

大多數(shù)波長(zhǎng)的光可以穿透這種中性介質(zhì)，但產(chǎn)生它的光源非常少。但從這些氫和氦中，第一顆恒星誕生了。

那些第一批恒星發(fā)出的輻射強(qiáng)度足以將電子從原子核中剝離出來(lái)并使氣體重新電離。然而，此時(shí)，宇宙已經(jīng)膨脹得如此之大，以至于氣體是漫射的，無(wú)法阻止光線(xiàn)照射出來(lái)。

到大爆炸后大約 10 億年，即被稱(chēng)為宇宙黎明的時(shí)期結(jié)束，宇宙完全重新電離。噠噠噠！燈亮著。

但是，由于宇宙黎明中有太多的黑暗，而且它在時(shí)間和空間上是如此昏暗和遙遠(yuǎn)，我們很難看到那里有什么。

科學(xué)家們認(rèn)為，造成大部分清理的來(lái)源一定很強(qiáng)大——巨大黑洞例如，它們的吸積會(huì)產(chǎn)生熾熱的光，而大型星系則處于恒星形成的陣痛中（嬰兒恒星會(huì)產(chǎn)生大量的紫外線(xiàn)）。

JWST 的設(shè)計(jì)部分是為了窺視宇宙的黎明并試圖看到其中潛伏著什么。它非常成功，揭示了我們宇宙形成的這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的各種驚喜。令人驚訝的是，望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)現(xiàn)在表明，矮星系是再電離的關(guān)鍵參與者。

由巴黎天體物理研究所的天體物理學(xué)家哈基姆·阿特克 （Hakim Atek） 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了一個(gè)名為 Abell 2744 的星系團(tuán)的 JWST 數(shù)據(jù)，并得到了哈勃數(shù)據(jù)的支持。

Abell 2744 的密度如此之大，以至于時(shí)空圍繞它扭曲，形成了一個(gè)宇宙透鏡;任何通過(guò)那個(gè)時(shí)空傳播到我們的遙遠(yuǎn)光都會(huì)被放大。這使研究人員能夠看到靠近宇宙黎明的微小矮星系。

然后，他們使用 JWST 獲得了這些微小星系的詳細(xì)光譜。他們的分析表明，這些矮星系不僅是早期宇宙中最豐富的星系類(lèi)型，而且它們比預(yù)期的要亮得多。

事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)的研究表明，矮星系的數(shù)量是大型星系的 100 比 1，它們的總輸出是通常假設(shè)的較大星系電離輻射的四倍。

“這些宇宙強(qiáng)國(guó)共同釋放出足夠的能量來(lái)完成工作，”阿特克說(shuō).

“盡管這些低質(zhì)量星系的體積很小，但它們是高能輻射的多產(chǎn)者，它們?cè)谶@一時(shí)期的豐度是如此之大，以至于它們的集體影響可以改變整個(gè)宇宙的狀態(tài)。”

這是再電離背后的力量的最佳證據(jù)，但還有更多的工作要做。研究人員觀察了天空的一小塊;他們需要確保他們的樣本不僅僅是一個(gè)異常的矮星系團(tuán)，而是宇宙黎明中整個(gè)星系群的代表性樣本。

他們打算研究天空中更多的宇宙透鏡區(qū)域，以獲得更廣泛的早期銀河系種群樣本。但僅就這一個(gè)樣本而言，結(jié)果就令人難以置信地令人興奮。自從我們知道再電離以來(lái)，科學(xué)家們就一直在尋找關(guān)于再電離的答案。我們即將最終驅(qū)散迷霧。

“我們現(xiàn)在通過(guò) JWST 進(jìn)入了未知領(lǐng)域，”天體物理學(xué)家 Themiya Nanayakkara 說(shuō)澳大利亞斯威本科技大學(xué)。

“這項(xiàng)工作開(kāi)辟了更多令人興奮的問(wèn)題，我們需要回答這些問(wèn)題，以努力繪制我們起源的進(jìn)化歷史?！?/p>

該研究已發(fā)表在自然界.

本文的一個(gè)版本最初發(fā)表于 2024 年 3 月。

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