早期宇宙：最遥远星系“JADES-GS-z14-0”挑战星系形成模型  

根据 14 年 0 月的观测结果，对发光星系 JADES-GS-z2024-14.32 的光谱分析显示其红移为 13，这使其成为已知最远的星系（之前已知的最远星系是 JADES-GS-z0-13.2，红移为 z = 290）。它形成于宇宙大爆炸后约 1,600 亿年的早期宇宙中。丰富的星光意味着它质量巨大，跨度超过 14 光年。在宇宙黎明时期，早期宇宙中如此明亮、巨大且庞大的星系违背了目前对星系形成的理解。宇宙中的第一批恒星是无金属或极低金属的第三代恒星。然而，JADES-GS-z0-290星系的红外特性研究发现，星系中存在氧气，即金属富集，这意味着在早期宇宙中，一代又一代大质量恒星已经完成了从诞生到超新星爆炸的生命历程，距今约XNUMX亿年。因此，该星系的特性与目前对早期宇宙星系形成的认识不一致。   

宇宙极早期，即大爆炸后约 380,000 万年，充满了电离气体，由于自由电子散射光子，宇宙完全不透明。随后是早期宇宙的中性时期，持续了约 400 亿年。在这个时期，宇宙是中性和透明的。宇宙变得透明时，第一束光出现，由于膨胀而红移到微波范围，现在被观测到为宇宙微波背景 (CMB)。由于宇宙中充满了中性气体，因此没有发射任何光信号（因此称为黑暗时代）。未电离的物质不发光，因此很难研究中性时期的早期宇宙。然而，在这个时期，由于从平行自旋到更稳定的反平行自旋的超精细跃迁，寒冷的中性宇宙氢发射出波长为 21 厘米（相当于 1420 MHz）的微波辐射，为天文学家提供了机会。这种 21 厘米的微波辐射到达地球后会发生红移，并将以 200MHz 至 10 MHz 的频率被观测到为无线电波。 REACH （宇宙氢分析无线电实验）实验旨在探测宇宙氢中难以捉摸的 21 厘米线。  

再电离时代是早期宇宙历史的下一个时代，从大爆炸后约 400 亿年持续到 1 亿年。由于强大的早期恒星发出的高能紫外线辐射，气体被再电离。星系和类星体的形成始于这个时代。这个时代的光向红移，向红光和红外范围移动。哈勃深空研究是早期宇宙研究的一个新起点，但它在捕捉原始光方面的范围有限。需要一个位于太空的红外天文台。詹姆斯·韦伯太空望远镜专门从事红外天文学研究， 研究早期宇宙. 

詹姆斯韦伯太空望远镜 （詹姆斯·韦伯太空望远镜）詹姆斯·韦伯太空望远镜于25年2021月2日发射，随后被送入距地球约1.5万公里的日地L2022拉格朗日点附近的轨道，于XNUMX年XNUMX月全面投入运行。詹姆斯·韦伯太空望远镜利用机载的NIRCam（近红外相机）、NIRSpec（近红外光谱仪）、MIRI（中红外仪）等关键科学仪器，搜寻宇宙中形成早期恒星和星系的光学/红外信号，以更好地了解星系的形成和演化以及恒星和行星系统的形成。在过去的两年里，它在宇宙黎明（即大爆炸后最初几亿年内，第一批星系诞生的时期）的探索中取得了令人着迷的成果。  

JWST 高级深海河外星系巡天 (JADES) 计划 

该项目旨在通过 GOODS-S 和 GOODS-N 深场的红外成像和光谱研究星系从高红移到宇宙正午的演化。  

第一年，JADES 的研究人员发现了数百个来自大爆炸后 650 亿年的候选星系。2023 年初，他们在数据集中发现了一个红移似乎为 14 的星系，这表明它一定是一个非常遥远的星系，但它非常明亮。此外，由于距离很近，它似乎是另一个星系的一部分。因此，他们在 2023 年 14 月观察到了这种增益。新数据支持它的红移为 XNUMX。需要这个星系的光谱来确定光谱中莱曼-阿尔法断裂的位置，以测量红移并确定年龄。 

莱曼-α 是莱曼系列中氢的光谱发射线，电子从 n=2 跃迁到 n=1 时发射。光谱中莱曼-α 的断点对应于观测到的波长 (λ_观察）。红移（z）可根据公式计算 z = (λ_观察 – λ_其余) / λ_其余 

JADES-GS-z14-0 星系    

因此，2024 年 14.32 月，使用 NIRCam (近红外相机) 和 NIRSpec (近红外光谱仪) 再次观测了该星系。光谱分析提供了明确的证据，表明该星系的红移为 13，使其成为已知的最遥远星系（之前的最遥远星系记录（JADES-GS-z0-13.2，红移为 z = 14）。它被命名为 JADES-GS-z0-13.5，是一个距离 1,600 亿光年的发光星系。此外，它的直径超过 300 光年，这表明年轻的恒星是其光度的来源。而且，星光的数量意味着它一定非常大。一个在大爆炸后不到 XNUMX 亿年就存在的星系不应该具有这样的特性。它与现有的星系形成模型不太吻合。  

还有更多的惊喜等着你。  

研究人员能够使用 MIRI（中红外仪器）探测到波长较长的 JADES-GS-z14-0。这意味着捕获来自该星系的可见光范围的辐射，这些辐射经过红移，超出了近红外仪器的探测范围。分析显示存在电离氧，这意味着恒星金属丰度较高。这只有在多代恒星已经完成生命历程时才有可能。  

宇宙中最早的恒星不含金属或金属含量极低。它们被称为第三族恒星或第三星族恒星。低金属恒星是第二族恒星。年轻恒星的金属含量高，被称为“第一族恒星”或太阳金属恒星。太阳是一颗新恒星，金属丰度相对较高，为 1.4%。在天文学中，任何比氦重的元素都被视为金属。在宇宙学背景下，氧、氮等化学非金属都是金属。超新星事件后，恒星在每一代都会富集金属。恒星中金属含量的增加表明年龄较小。   

考虑到星系 JADES-GS-z14-0 的年龄在大爆炸后不到 300 亿年，该星系中的恒星应为第三族恒星，且不含任何金属。然而，詹姆斯·韦伯太空望远镜的 MIRI 确实发现了氧气的存在。  

鉴于上述观察和发现，早期宇宙星系 JADES-GS-z14-0 的性质不符合目前对星系形成的理解。具有此类特征的星系怎么可能被追溯到大爆炸后 290 亿年？未来可能会发现许多这样的星系。也许在宇宙黎明时期存在着各种各样的星系。 

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参考文献：  

1. 卡尼亚尼，S.， 等. 2024. 光谱确认两个红移为 14 的明亮星系。《自然》（2024 年）。24 年 2024 月 XNUMX 日发布。DOI： https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 。预印本于 axRiv。提交于 28 年 2024 月 XNUMX 日。DOI： https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485  

2. 赫尔顿 JM， 等 2024. JWST/MIRI 光度探测 z>7.7 星系中恒星连续体和星云发射的 14 μm。预印本在 axRiv。提交于 28 年 2024 月 XNUMX 日。DOI： https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462 

3. 美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜。早期亮点——美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜发现已知最遥远的星系。发布于 30 年 2024 月 XNUMX 日。可在 https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy 

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