最遥远星系惊现氧元素！韦伯望远镜发现挑战星系演化理论："如同在婴儿房发现青少年"
“这一意外结果让我感到震惊，它们为星系演化初级阶段提供了全新视角。”
[图片说明：ALMA迄今观测到的最早、最遥远星系JADES-GS-z14-0位置的特写影像。
图片来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Carniani等/S. Schouws等/JWST: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson（加州大学圣克鲁兹分校）、Ben Johnson（哈佛-史密森天体物理中心）、Sandro Tacchella（剑桥大学）、Phill Cargile（哈佛-史密森天体物理中心）]
天文学家在迄今观测到的最遥远、最古老的星系中发现了氧元素，这标志着人类迄今探测到的最遥远氧元素信号。
这个早期星系被命名为JADES-GS-z14-0，其重元素含量是大爆炸后仅3亿年的星系的10倍。这些发现表明，该星系在早期宇宙中已经成熟，挑战了现有星系演化理论。
JADES-GS-z14-0由詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）于2024年发现，其光线历时约134亿年才抵达地球，相当于宇宙138亿年寿命的98%。阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列射电望远镜（ALMA）则揭示了该星系的化学组成之谜。
[图片说明：迄今发现含氧的最早星系JADES-GS-z14-0的插图。
图片来源：ESO/M. Kornmesser]
"这就像在预期只有婴儿的地方发现了一个青少年，"团队成员、莱顿天文台研究员Sander Schouws在一份声明中表示，“结果表明，这个星系形成极快且成熟迅速，这样就有了更多证据证明星系形成速度远超预期。”
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JADES-GS-z14-0是JWST高级深空河外巡天（JADES）项目发现的多个早期星系之一。该项目旨在揭示138亿岁的宇宙幼年时期原始星系中恒星、气体与黑洞的演化奥秘。
为何JADES-GS-z14-0富含金属？
要理解为什么在JADES-GS-z14-0这样的早期星系中发现重元素如此令人惊讶，这就有必要考虑宇宙婴儿期的化学组成。
科学家认为：当宇宙仅为当前年龄的2%时，它主要由最轻元素氢、少量氦及微量较重元素（天文学中笼统称之为"金属"）构成。这意味着这一时期的恒星与星系相应地呈现出"金属匮乏"的特征。
随着初代恒星死亡并爆发成为超新星，其生前锻造的金属元素爆炸后被抛洒至母星系气体云中，孕育出金属更丰富的下一代恒星。这意味着星系年龄越大，它的"成熟度"就越能通过它的金属丰度来衡量。然而，诞生于宇宙3亿岁的JADES-GS-z14-0本应呈现金属匮乏且幼稚的状态，它却显得成熟。
"这一意外结果让我感到震惊，它们为星系演化初级阶段提供了全新视角，"意大利比萨高等师范学校团队成员Stefano Carniani表示，"星系在宇宙婴儿期即已成熟的证据，促使我们重新思考星系形成的时间与机制。"
[图片说明：ALMA观测到的已知最遥远星系JADES-GS-z14-0及其紧邻得两个氧发射线光谱。
图片来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Carniani等/S. Schouws等/JWST: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson（加州大学圣克鲁兹分校）、Ben Johnson（哈佛-史密森天体物理中心）、Sandro Tacchella（剑桥大学）、Phill Cargile（哈佛-史密森天体物理中心）]
在早期星系中探测到氧元素也使得天文学家可以更精确地测定到JADES-GS-z14-0的距离，ALMA的观测将星系距离测量精度提升至0.005%的误差范围，"意大利比萨高等师范学校的团队成员Eleonora Parlanti解释道，"这种精确程度相当于测量1公里的距离，误差可以控制在5厘米之内，这极大优化了我们对遥远星系性质的理解。"
尽管JWST发现了这个相当遥远的星系，但距离的精确测定却离不开ALMA。“正是ALMA与JWST惊人的协同效作用才得以揭示首批星系的形成与演化，”团队成员及莱顿天文台天文学家Rychard Bouwensz在声明中说道。
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未参与该项研究的欧洲ALMA区域中心天文学家Gergö Popping表示："JADES-GS-z14-0中清晰的氧信号令我震惊。这表明星系在大爆炸后形成的速度可能比我们之前认为的快很多。该成果彰显了ALMA在破解宇宙首批星系形成条件中的关键作用。"
该团队研究成果已被《天体物理学杂志》接收发表。
BY: Robert Lea
FY: Brite Sun
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