最后更新：2025年9月13日

詹姆斯·韦伯太空望远镜与原星系：探索首批宇宙结构

宇宙学背景

要理解原星系的出现，我们必须回溯到宇宙极早期的历史。大约138亿年前，大爆炸发生后不久，物质处于高温、高密且均匀分布的状态。随着宇宙膨胀，温度逐渐降低，使得第一批氢原子和氦原子得以形成。

今天在宇宙微波背景中可见的微小密度起伏，曾充当引力种子。在自身引力作用下，这些密度略高的区域缓慢吸引周围气体，形成暗物质起核心作用的晕。正是在这些引力阱中，气体开始坍缩，催生了最早的恒星。

詹姆斯·韦伯太空望远镜让我们能够回溯这一关键时期，有时被称为“宇宙黎明”。凭借其红外灵敏度，它捕捉到了大爆炸后不到4亿年出现的星系发出的光。通过研究这些星系的大小、亮度和组成，天文学家可以检验描述物质如何组织成越来越庞大的结构，并最终形成我们今天观测到的星系的模型。

为了确定天空中一块模糊的斑块是否真的是原星系，天文学家会结合多种技术手段。詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）利用其红外仪器探测由最早恒星发出的光——这些光因宇宙膨胀而发生了"红移"。通过分析这种红移现象，他们可以估算出该天体存在的年代。

这一观测结果通过测量该区域内恒星的亮度和分布得到了补充。如果该结构含有大量气体但已形成的恒星较少，那么它很可能是一个正在形成首批恒星群的原始星系。研究人员随后将这些数据与星系形成模型进行对比，以确认该天体的性质。

最后，詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测结果与其他望远镜的观测结果进行了交叉比对，正如埃德温·哈勃（1889-1953）通过将距离与膨胀速度联系起来所预见的那样。这种协同作用使得我们能够更完整地了解历史：气体云如何随着时间的推移演变成第一批大型宇宙结构。

一旦探测到原星系，天文学家会试图了解其物理特性：它包含多少颗恒星、恒星形成的速度有多快，以及其中的气体和尘埃含量。为此，他们测量不同颜色接收到的光，这种方法称为SED（光谱能量分布）。每种颜色或波长都能提供关于恒星温度和质量的线索。

通过将观测到的光与星系形成模型进行比较，我们可以估算出：

这些测量使我们能够描绘出原星系的全貌。例如，一个非常明亮但质量较小的原星系可能正在快速形成其第一批恒星，而另一个质量更大但较暗淡的原星系可能已经开始趋于稳定。借助这些诊断手段，科学家们得以更深入地理解最早期的星系如何演化，以及它们对宇宙再电离过程所起的作用。

注：大爆炸之后，宇宙充满了中性气体（主要是氢）。当第一批恒星和星系形成时，它们发出的紫外线能量足以剥离这些氢原子中的电子。这一被称为“再电离”的过程将中性气体转化为电离气体，使宇宙对光线变得透明。

原星系发出的光在到达我们这里时，由于宇宙膨胀而高度“红移”。通过用光谱仪分析这些光，天文学家可以探测到某些特征波长，即光谱线。例如，1640 Å的He II谱线或5007 Å的[O III]谱线，能提供关于恒星温度及气体化学成分的信息。

这些信号还有助于评估能够使宇宙再电离的光子数量。大爆炸后不久，宇宙充满了中性气体。第一批恒星产生的光具有足够的能量电离这些气体，使宇宙对光变得透明。通过研究这些谱线的强度和存在情况，詹姆斯·韦伯太空望远镜帮助天文学家确定哪些星系对这一过程贡献最大。

因此，光谱特征可作为恒星活动和再电离的“示踪剂”。它们使我们能够将首批恒星的出现与宇宙演化的主要阶段联系起来，从而直接窥见宇宙中首批结构的形成过程。

自詹姆斯·韦伯太空望远镜投入使用以来，天文学家对首批探测到的星系的多项特征感到惊讶。一些天体在大爆炸后不到4亿年就已显得庞大而明亮，这似乎与经典的分层形成模型相矛盾——该模型认为星系是由小块物质逐渐聚集而成的。

此外，观测到的多样性令人惊叹：有些原星系结构致密，另一些则已充分延展；有些正经历剧烈的恒星形成，而另一些则较为平缓。这些快速而显著的差异表明，气体吸积、暗物质晕合并或大质量恒星辐射影响等物理过程，可能比预期更早、更高效地发挥作用。

获得的谱图有时显示出一种已富含重元素的化学组成，这表明恒星核合成发生的速度比标准模型预期的更快。这些观测正促使天体物理学家重新审视宇宙黎明的时标与复杂性，并可能引发星系形成模拟的重大调整。

总之，“宇宙黎明”似乎比先前想象的更加丰富、多样且迅速，促使科学界修正我们对早期宇宙认知的一些基础。

JWST探测到的原星系候选体
源	红移 \(z\)	恒星质量（M⊙）	SFR (M⊙/年)	如何
GN-z11	11.1	1×10⁹	25	最早通过光谱确认的高红移星系之一。由于宇宙膨胀，其光线呈现非常红的颜色。
CEERS-93316	16（候选人）	3×10⁸	5	非常年轻的天体，通过红外测光探测到。恒星形成才刚刚开始。
GLASS-z12	12.4	5×10⁸	15	作为GLASS项目观测的一部分，显示出持续的恒星活动。是研究再电离过程的有趣候选目标。
JADES-GS-z13-0	13.2	4×10⁸	20	由JADES项目发现，该天体显示出强烈的恒星形成活动，且光谱呈现显著红移。
CEERS-1749	14.1	2×10⁸	8	极小的候选星系，仅通过红外测光探测到。可能代表星系形成的早期阶段。
NGDEEP-z15	15.3	3×10⁸	12	NGDEEP项目的候选者。质量适中但恒星形成活跃，有助于研究原始星系的多样性。