首次探測宇宙黎明「造星燃料庫」，天文學家在 REBELS-25 發現大量冷氣體

星系是透過將氣體轉化為恆星而逐漸成長，而冷分子氣體就是其中最主要的燃料。

過去天文學家雖然推測，在宇宙黎明時期，也就是第一批恆星與星系開始誕生的年代，那些巨大星系中應該存在大量氣體儲量，但一直缺乏直接觀測證據。如今，天文學家在一個名為 REBELS-25 的恆星形成活躍星系中，發現大量冷分子氣體儲庫。這些冷分子氣體是形成恆星最直接的原料，這項發現也代表，宇宙在非常早期時，部分星系便已具備快速形成恆星的條件。

此研究聚焦於紅移高達 z=7.3 的 REBELS-25。所謂「紅移」，是指宇宙膨脹將星系光線波長拉長的現象，紅移越高，代表我們看到的時間越早。REBELS-25 的光來自宇宙年齡僅約 7 億年的時代，也就是宇宙目前年齡的大約 5%。這是宇宙演化的重要階段，被稱為「宇宙再游離時期」。此時第一批恆星與星系陸續誕生，逐漸將原本「黑暗」且充滿中性氣體的宇宙，轉變成今日所見的「透明」宇宙。這次研究利用位於美國新墨西哥州的特大天線陣（VLA），以及位於智利的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（ALMA），尋找來自一氧化碳分子的微弱電波訊號。由於一氧化碳可做為宇宙中冷分子氣體的重要追蹤物，因此天文學家能藉由觀測這些訊號，推測星系內是否存在大量可供形成恆星的氣體。最終研究團隊成功在 REBELS-25 中偵測到來自冷氣體的訊號，成為目前宇宙中最遙遠的相關觀測紀錄。結果顯示，REBELS-25 在宇宙仍非常年輕時，就已擁有大量可供形成恆星的物質。

▲ 這張示意圖展示宇宙自大霹靂至今的演化歷程，並標示出極為遙遠的星系 REBELS-25。天文學家所觀測到的 REBELS-25 位於約 130 億年前的宇宙再游離時期。當宇宙年齡僅約 7 億年時，REBELS-25 就已擁有龐大的冷分子氣體儲庫。這些冷分子氣體是形成恆星最直接的原料，顯示部分早期星系已具備快速形成恆星的條件。（Source：NRAO）

不過，要在如此遙遠的宇宙中找出冷分子氣體並不容易。這些氣體發出的訊號非常微弱，而且還會受到宇宙微波背景的影響。宇宙微波背景是大霹靂後留下的微弱輻射，存在於整個宇宙中；在越早期的宇宙中，它看起來越明亮，就像一層背景光，會讓冷氣體訊號變得更難分辨。因此，過去天文學家並不確定，是否真的能在這麼早期的星系中直接觀測到冷分子氣體。這次結果顯示，在大霹靂後僅 7 億年的星系中，已經存在大量可供形成恆星的冷氣體儲庫，也證明只要望遠鏡足夠靈敏，天文學家仍有機會直接觀測宇宙黎明時期的冷分子氣體。

這項成果提供了早期星系為何能在大霹靂後短時間內迅速成長的重要線索。過去天文學家大多只能透過間接方式推估星系中的氣體含量，如今則首次能直接測量驅動星系快速成長的「燃料」本身。REBELS-25 所擁有的大量冷氣體，也顯示部分早期星系早已具備劇烈恆星形成的條件，這對理解宇宙最初十億年間星系如何快速成長，是相當重要的一步。