天文學家使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 表明，微弱的迷你星系清除了早期宇宙中原子氫的模糊霧霾——首次讓星光照亮宇宙。
這項研究今天發表在《自然》雜誌上1，提供的證據表明，大約比銀河系小100倍的矮星系觸發了被稱為再電離的過程，該過程改變了宇宙歷史的程序。“宇宙變得透明瞭，”巴黎天體物理研究所的天體物理學家、該研究的主要作者 Hakim Atek 說。“正是由於再電離，我們才能夠看到遙遠的星系。”
從宇宙黑暗時代中走出
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在大爆炸後約 38 萬年間，宇宙是一個由亞原子粒子組成的高溫、高密度熔爐。隨著宇宙冷卻，自由電子和質子結合形成中性氫原子氣體。
隨之而來的是一段沉悶的黑暗時期。這種情況一直持續到氣體在某些地方坍縮聚變，形成第一批恆星，這些恆星產生了紫外 (UV) 光。然而，瀰漫在宇宙中的剩餘氣體要麼吸收要麼散射了這種光。結果，宇宙就像一片霧濛濛的森林，點綴著昏暗、閃爍的螢火蟲，光源只能在短距離內可見。
為了使太空變得透明，需要用強大的“電離”輻射轟擊這種氣體，這可以將中性氫原子轉化為帶電粒子，或氫離子。三個候選者是被稱為類星體的能量光束，它由超大質量黑洞提供動力；質量與銀河系大致相當的巨型星系；最後，是“小魚”——矮星系。
明尼阿波利斯明尼蘇達大學的天體物理學家 Claudia Scarlata 說，巨型星系會吸收自身產生的大部分紫外線。而且，可能沒有足夠的類星體來協調整個過程。然而，矮星系足夠小，可以使它們產生的紫外線輕易逸出。
對更年輕、更靠近地球的矮星系的觀測表明，它們可以發射電離輻射。美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心（位於馬里蘭州格林belt）的天體物理學家 James Rhoads 說，“沒有什麼比實際擁有來自早期星系的資料來證實這一點更好的了”。但來自再電離時期的矮星系太小太暗，即使對於 JWST 來說也難以探測到。
雙筒望遠鏡的故事
為了克服這個問題，作者們利用了一個“天然望遠鏡”：一個位於距地球約 120 萬秒差距的星系團。這個星系團非常巨大，以至於它會扭曲穿過它的光線，從而放大從地球觀測到的位於透鏡後面的任何光源。
作者利用這個透鏡觀測了來自再電離時代的八個矮星系，當時宇宙還不到十億年。這些星系是那個時期觀測到的最微弱的天體。
天文學家使用 JWST 收集的資料，分析了來自這些星系的紫外線波長。這使該團隊能夠估計，即使是這些微弱的小星系，也能夠輕易地驅散周圍的氫氣。研究人員還估計，即使只有 5% 的電離輻射逸散到星系際空間，矮星系在大爆炸後十億年內也足夠豐富，足以電離整個宇宙。
Rhoads 說，小型星系是宇宙中最早形成的星系，這“可能使宇宙歷史早期更容易啟動 [再電離] 過程”。隨著每個星系發出輻射，它有效地吹出一個透明氣泡，該氣泡膨脹到中性氣體中。最終，所有星系的所有氣泡重疊，完成了轉變。
Atek 說，矮星系會吹出比類星體和巨型星系產生的氣泡更小的氣泡，而這些小氣泡可能確保再電離在整個宇宙中均勻進行。反過來，這對當今宇宙的結構產生了影響。
本文經許可轉載，最初於 2024年2月28日發表。