韦伯望远镜颠覆认知！宇宙诞生仅5亿年，早期星系已开始向外散布重元素
詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的观测显示，宇宙诞生仅约5亿年后，早期星系便已开始将由恒星制造的重元素散布至周围空间。研究团队利用JWST近红外光谱仪（NIRSpec），观察3个红移介于7.2至9.3的遥远星系，这些星系的光穿越超过130亿年才抵达地球，因此我 们看到的是宇宙非常早期的样貌。过去一般认为，第一批星系周围的气体应主要由宇宙初期留下的氢、氦组成，仍接近原始状态。这项研究却发现，当时星系周围已经存在含有氧、碳、矽等重元素的气体。
早期星系及其周围气体环境的示意图。橙色结构代表从星系向外排出的富含重元素气体，呈现年轻星系如何在宇宙诞生后 的前5亿年内，开始将重元素散布到周围环境。此图根据公开的FIRE-2宇宙学模拟资料制作，并非望远镜直接观测影像。（Source：YongdaZhu）
研究团队通过分析星系本身的紫外光谱，寻找气体吸收特征。结果在3个星系都侦测到蓝移的金属吸收线，包括中性氧（OI）、低电离的矽与碳（SiII、CII），以及高电离的矽与碳（SiIV、CIV），相对于星系的系统速度偏移约50至250公里／秒。这些不同电离程度的气 体具有相近的速度结构，显示它们并非单纯静止于星系内部，而是处于向外流动或其他受到动力扰动的状态。换言之，第一批恒星形成后不久，恒星活动便可能已将新生成的重元素带离星系，进入周围的气体环境。
这项结果涉及所谓的“重子循环”（baryoncycling），也就是星系内的气体、重元素与能量受到恒星形成及回馈作用影响，在星系与周围环境之间反复输送与再分布。恒星内部通过核融合制造碳、氧等元素，恒星死亡或超新星爆炸后，再将这些元素释放至星际空间；如今JWST观测显示，这种化学富集与物质再分布在宇宙非常早期便已经发生。研究结果也意味著早期星系并非封闭系统，其周围环境可能很快受到恒星活动改变。
值得注意的是，这些发现可能有助于理解第一代恒星，也就是“第三星族星”（PopulationIIIstars）为何至今仍难以直接观测。第 三星族星理论上形成于几乎只有氢、氦的原始气体中。如果星系在大霹雳后仅数亿年便已将重元素快速散布至周围，完全未受污染的原始气体可能很快变得稀少。本研究结果为了解第一批星系如何成长，以及重元素如何逐步遍布宇宙，提供了新的观测证据。