利用宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的数据，在被称为潘多拉星团或阿贝尔 2744 的太空区域中发现了有史以来观测到的第二和第四远的星系。在对该区域的深场图像进行跟踪后，由宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一个国际团队确认了这些古老星系的距离，并利用来自 JWST 的新光谱数据(有关电磁频谱上发射的光的信息)推断了它们的特性。这些极其遥远的星系距离我们近 330 亿光年，为我们了解最早的星系可能是如何形成的提供了线索。
研究人员表示，与在这个距离上确认的其他星系在图像中显示为红点不同，这些新星系更大，看起来像花生和毛茸茸的球。一篇描述星系的论文今天(11 月 13 日)发表在《天体物理学杂志快报》杂志上。
第一作者、宾夕法尼亚大学博士后王冰杰表示：“人们对早期宇宙知之甚少，了解那个时代并检验我们早期星系形成和生长理论的唯一方法就是研究这些非常遥远的星系。”州立埃伯利科学学院和JWST UNCOVER(再电离时代之前的 Ultradeep NIRSpec 和 NIRCam ObserVations)团队的成员进行了这项研究。“在我们进行分析之前，我们只知道在这个极端距离附近确认了三个星系。研究这些新星系及其特性揭示了早期宇宙中星系的多样性以及从中可以学到多少东西。”
由于来自这些星系的光必须经过很长时间才能到达地球，因此它提供了一个了解过去的窗口。研究小组估计，JWST探测到的光是宇宙年龄约3.3亿年时由两个星系发出的，经过约134亿光年到达JWST。但是，研究人员表示，由于宇宙在此期间的膨胀，目前这些星系距离地球已接近 330 亿光年。
“这些星系发出的光非常古老，大约比地球古老三倍，”宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学助理教授、UNCOVER 成员乔尔·莱贾 (Joel Leja) 说。“这些早期星系就像灯塔，光线穿过构成早期宇宙的非常稀薄的氢气。只有通过它们的光，我们才能开始了解在宇宙黎明附近银河系的奇异物理现象。”
值得注意的是，这两个星系比之前位于如此极端距离的三个星系大得多。其中一个至少大六倍，直径约 2,000 光年。相比之下，银河系的直径约为 100,000 光年，但是，王说，早期宇宙被认为是非常压缩的，所以银河系如此之大令人惊讶。
“之前在这些距离发现的星系是点源——它们在我们的图像中显示为一个点，”王说。“但我们的一个看起来很长，几乎像一颗花生，而另一个看起来像一个毛茸茸的球。目前尚不清楚大小的差异是否是由于恒星如何形成或它们形成后发生了什么而造成的，但星系特性的多样性确实很有趣。这些早期星系预计是由相似的材料形成的，但它们已经显示出彼此之间非常不同的迹象。”
这两个星系是 JWST 在 2022 年(其科学运营的第一年)拍摄的首批深场图像中检测到的潘多拉星团中的 60,000 个光源之一。选择这个空间区域的部分原因是它位于几个星系团的后面，这些星系团产生了一种称为引力透镜的自然放大效应。星团组合质量的引力扭曲了它周围的空间，聚焦并放大了附近经过的任何光线，并在星团后面提供了放大的视图。
在短短几个月内，UNCOVER 团队将 60,000 个光源缩小到 700 个候选光源以进行后续研究，他们认为其中 8 个可能属于第一批星系。然后，JWST 再次指向潘多拉星团，记录候选者的光谱——一种详细记录每个波长发出的光量的指纹。
“几个不同的团队正在使用不同的方法来寻找这些古老的星系，每个团队都有自己的优点和缺点，”莱贾说。“事实上，我们指向太空中这个巨大的放大镜，为我们提供了一个令人难以置信的深窗口，但它是一个非常小的窗口，所以我们正在掷骰子。一些候选者尚无定论，至少有一个是身份错误的情况——它是模仿遥远星系的近得多的东西。但我们很幸运，有两个结果就是这些古老的星系。这太不可思议了。”
研究人员还使用详细的模型来推断这些早期星系发出 JWST 检测到的光时的特性。正如研究人员预期的那样，这两个星系都很年轻，成分中几乎没有金属，并且正在快速生长并积极形成恒星。
“第一个元素是通过聚变过程在早期恒星的核心中形成的，”莱贾说。“这些早期星系没有金属等重元素，这是有道理的，因为它们是最早制造这些重元素的工厂之一。当然，它们必须年轻且正在形成恒星才能成为第一个星系，但确认这些属性是对我们模型的重要基本测试，有助于确认大爆炸理论的整个范式。”
研究人员指出，除了引力透镜之外，JWST 强大的透视仪器应该能够探测到更远距离的星系(如果存在的话)。
“我们进入这个区域的窗口非常小，尽管 JWST 有能力，但我们没有观察到这两个星系以外的任何东西，”莱贾说。“这可能意味着星系在那之前还没有形成，我们不会在更远的地方发现任何东西。或者这可能意味着我们的窗户太小，不够幸运。”
这项工作是向 NASA 提交的一项成功提案的结果，该提案建议如何在科学运营的第一年使用 JWST。在前三个提交周期中，宇航局收到的提案数量比望远镜可用观测时间多出四到十倍，因此只能选择其中的一小部分。
“当我们的提案被接受时，我们的团队非常兴奋，也有点惊讶，”莱贾说。“它涉及协调、快速的人类行动以及望远镜两次指向同一物体，这对望远镜在第一年的要求很高。压力很大，因为我们只有几个月的时间来确定跟进对象。但 JWST 是为了寻找第一批星系而建立的，现在就这样做真是令人兴奋。”
除宾夕法尼亚州立大学外，该团队还包括来自德克萨斯大学奥斯汀分校、澳大利亚斯威本科技大学、以色列内盖夫本古里安大学、耶鲁大学、匹兹堡大学、法国索邦大学、法国索邦大学的研究人员。丹麦哥本哈根大学、瑞士日内瓦大学、马萨诸塞大学、荷兰格罗宁根大学、普林斯顿大学、日本早稻田大学、塔夫茨大学和国家光学透视天文学研究(NOIR)实验室。
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