韋伯望遠鏡找到早期再游離幕後推手

韋伯太空望遠鏡最新的觀測成果發現了一群過去難以偵測的小型星系，它們可能在早期宇宙的重大轉變過程中扮演了關鍵角色。這項研究為科學家們尋找宇宙「再游離時期」（epoch of reionization）能量來源的努力，提供了最具說服力的證據之一。

在宇宙最初十億年的大部分時間裡，它都籠罩在一層中性氫氣霧中。如今，這些氣體已被游離（失去電子），天文學家將這種轉變稱為再游離，他們長期以來一直想知道，究竟是哪些類型的天體導致了這一轉變，是大星系、小星系，還是活躍星系中的超大質量黑洞。而韋伯太空望遠鏡的觀測，讓研究人員找到了極具潛力的候選者。最近的研究表明，正在經歷劇烈恆星形成的小型星系可能發揮了巨大的作用。如今，這樣的星系非常罕見，僅占我們周圍星系的1%左右。但在宇宙大約8億年大的時候，也就是天文學家稱為紅移7的時期，再游離過程順利進行之時，這類星系非常多。

天文學家利用韋伯的近紅外相機（NIRCam）與近紅外光譜儀（NIRSpec），對潘朵拉星系團（Abell 2744）背景的宇宙深處進行觀測，Abell 2744位於南天的玉夫座，距離地球約40億光年。該星系團的質量形成了一個重力透鏡，放大了遙遠的光源，讓韋伯能看見更遙遠、暗弱的天體。研究團隊在NIRCam的星系團影像中尋找具有適當宇宙年齡、顯示極端恆星形成跡象，稱為星遽增（starburst）的小星系。研究人員表示低質量星系周圍聚集的中性氫氣較少，這使得游離紫外線更容易逸出。同樣，星遽增事件不僅會產生大量的紫外線，還會在星系的星際物質中開闢通道，幫助紫外光逃逸。

▲ 星系團Abell 2744的紅外線影像中所發現的83個年輕低質量星遽增星系以白色菱形標示，這張圖合成了3個NIRCam濾光片（F200W為藍色、F410M為綠色、F444W為紅色）所拍攝的影像。（Source：NASA，下同）

天文學家尋找特定波長光線的強烈來源，這種光線標誌著高能量過程的存在，即失去兩個電子的氧原子發出的綠線。雙游離氧發出的綠光，在早期宇宙中原本是可見光，但隨著宇宙的擴張，綠色光線被延伸到紅外線，最後到達韋伯的儀器中。這項技術發現了83個小型星遽增星系，它們出現在宇宙8億年大時，也就是目前年齡138億年的6%，研究團隊從中選取了20個星系，使用NIRSpec進行更深入的探測。這些星系非常小，要形成相當於我們銀河系恆星質量的星系，需要2,000到20萬個這樣的星系，但我們能夠探測到它們，是因為我們採用了新穎的樣本選擇技術，並結合重力透鏡效應。

▲ 左側圖是星系團Abell 2744的紅外線放大圖，其中3個年輕的恆星形成星系以綠色菱形表示。中間一列展示了此3個星系的特寫照片、名稱、星系團重力透鏡的放大倍率、它們的紅移（以z表示，均對應約7.9億年的宇宙年齡），以及它們估計的恆星質量。右側圖是韋伯NIRSpec儀器的測量結果，證實這些星系在雙游離氧（綠色條）的輻射下產生強烈的輻射，表示正在進行劇烈的恆星形成。

現今宇宙中類似的星系，例如豌豆星系（green peas），會釋放約25%的游離紫外光到周圍的空間。若研究團隊所探索的低質量星遽增星系也能釋放出類似的紫外線量，那麼它們就能釋放出將宇宙中的中性氫轉換為離子化形式所需的全部紫外光。相關研究成果發表於《Astrophysical Journal Letters》期刊上。