天文学家近日宣布了一项令人震惊的发现：在已知最遥远的星系中，他们探测到了氧气和重金属等元素。这个名为JADES-GS-z14-0的星系距离地球134亿光年，这意味着它形成于宇宙的早期阶段。
宇宙“婴儿”期惊现“成熟少年”
根据天文学界的普遍认知，宇宙诞生于138亿年前的宇宙大爆炸。而这个遥远星系的光芒，经过134亿年的漫长跋涉才抵达地球，因此我们现在观测到的景象是它在宇宙仅仅诞生3亿年左右时的状态。通常，在宇宙的“婴儿”时期，星系应该处于非常原始的状态，主要由氢和氦等轻元素构成。然而，JADES-GS-z14-0却富含氧气和重金属，这彻底颠覆了天文学家对宇宙早期星系形成速度的预期。
荷兰莱顿大学莱顿天文台的博士生桑德·肖沃斯（Sander Schouws）是发表在《天体物理学杂志》上的相关研究的主要作者。他用一个生动的比喻来形容这一发现：“这就像发现了一个本该是婴儿的星系，却已经是个青少年了。” 肖沃斯表示，研究结果表明该星系的形成速度非常快，也在快速成熟，越来越多的证据表明，星系的形成速度比预期的要快得多。”
该研究成果分别发表在了《天体物理学杂志》和《天文学与天体物理学》两份期刊上。
韦伯望远镜和ALMA的“强强联手”
这个异常明亮且巨大的星系最初是由詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）在2024年1月探测到的。韦伯望远镜擅长观测红外光，而红外光对于人眼是不可见的。它能够有效地“回溯时光”，观测来自宇宙黎明（Cosmic Dawn）的光芒。宇宙黎明指的是宇宙大爆炸后的最初几亿年，是第一批星系诞生的时期。
为了进一步确认韦伯望远镜的观测结果，天文学家们利用位于智利阿塔卡马沙漠的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）进行了后续观测。ALMA不仅证实了韦伯望远镜最初测量的星系距离，还对其进行了更精确的测量。
通过ALMA，天文学家们震惊地发现了氧气和重金属的存在。这一发现促使他们开始重新审视早期星系的真实面貌，以及他们可能利用韦伯望远镜和ALMA发现更多类似星系的潜力。
颠覆认知：亮度、大小和元素含量均超出预期
JADES-GS-z14-0的诸多特性都出乎意料，包括其巨大的尺寸和亮度。肖沃斯表示，在韦伯望远镜观测的700个遥远星系中，尽管JADES-GS-z14-0是最远的，但它的亮度却排名第三。按照之前的理论，宇宙早期的星系应该更小、更暗淡，因为那时的宇宙体积也更小。
肖沃斯在一封电子邮件中解释说：“总的来说，宇宙早期阶段的星系与我们从哈勃和JWST拍摄的精美图像中看到的著名星系截然不同。它们更加紧凑、富含气体，也更加混乱无序。由于大量的恒星在狭小的空间内快速形成，所以那里的条件也更加极端。”
通常情况下，星系起源于巨大的气体云，这些气体云坍缩并旋转，逐渐形成充满年轻恒星的星系，而这些恒星主要由氦和氢等轻元素构成。随着恒星的演化，它们会产生氧和金属等较重的元素，这些元素会在恒星死亡爆炸时扩散到整个星系。反过来，这些由死亡恒星释放的元素又会促使更多恒星以及围绕它们运行的行星形成。
然而，JADES-GS-z14-0的情况却与上述模型完全不符。研究人员表示，该星系所含的重元素比预期高出10倍。
意大利比萨高等师范学校的助理教授斯特凡诺·卡尔尼阿尼（Stefano Carniani）是《天文学与天体物理学》研究的主要作者。他表示：“这些元素是由大质量恒星产生的，大量的氧气表明，已经有几代大质量恒星诞生和死亡。总而言之，（JADES-GS-z14-0）比预期的更加成熟，这些结果表明，第一代星系聚集质量的速度非常快。”
未来展望：揭开宇宙黎明时期的更多谜团
莱顿大学副教授、发表在《天体物理学杂志》上的研究报告的合著者里查德·鲍恩斯（Rychard Bouwens）表示，韦伯望远镜和ALMA可以相互配合，共同研究第一批星系的形成和演化。
欧洲南方天文台位于欧洲ALMA区域中心的的天文学家格尔格·波平（Gergö Popping）表示：“我对JADES-GS-z14-0中如此清晰地探测到氧气感到非常惊讶。这表明，星系在宇宙大爆炸后形成的速度可能比之前认为的要快。这一结果展示了ALMA在揭示宇宙中第一批星系形成的条件方面所发挥的重要作用。”
卡尔尼阿尼表示，韦伯望远镜可以帮助识别极其遥远的星系，而ALMA则可以放大观测这些星系内部的气体和尘埃，探测它们发出的远红外光。研究这些星系有助于揭示宇宙黎明时期仍然存在的许多谜团，例如宇宙最初开始后不久发生了什么，以及最早出现的宇宙天体是什么。
研究人员认为，早期的星系可能形成了比预期更多的恒星，而且这些恒星的质量也可能更大，这也将影响星系的整体亮度。
肖沃斯表示：“这就像燃烧蜡烛：你可以使用灯芯较宽的蜡烛，这种蜡烛会发出明亮的火焰（大质量恒星），也可以使用燃烧缓慢且高效的蜡烛（普通恒星）。”
不过，他同时强调，还需要进行更多的观测才能准确理解研究人员所看到的一切。
卡尔尼阿尼表示，研究团队希望确定这个星系及其快速演化是否真的是独一无二的，或者早期宇宙中是否存在更多类似的星系，因为仅仅依靠单个天体不足以建立新的星系形成模型。
