凱文·海恩林可以從他的辦公桌上進行時間旅行。好吧，他不能真正地讓自己回到過去。但是，作為美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的使用者，這位亞利桑那大學的天文學家經常觀察數十億年前的星系——因為它們發出的光需要那麼長的時間才能從宇宙的另一端到達我們這裡。最近，他追蹤到一個比以往任何時候都更早的宇宙歷史。
這個破紀錄的星系，名為JADES-GS-z14-0，在我們看來，它存在於大爆炸後2.9億年，當時宇宙僅為其目前138億年年齡的2%。這使其位於一個被稱為宇宙黎明的神秘時代——那時宇宙中的第一批恆星開始閃耀，星系開始合併。前紀錄保持者是一個名為JADES-GS-z13-0的星系，由海恩林和他在JWST高階深場河外星系巡天（JADES）研究團隊的同事於2022年報告，據觀測大約在大爆炸後3.25億年。海恩林承認，這種年齡差異可能看起來微不足道；從宇宙的角度來說，僅僅3500萬年通常不會發生太多事情。但JADES-GS-z14-0的特性與其稍老的同類星系截然不同，這使其成為一個異常現象，讓專家們重新思考宇宙中最早的星系是如何演化的。“由於許多原因，我最初懷疑它有什麼特別之處，”海恩林回憶起他最初瞥見這個星系時的情景。“它看起來太大了，太亮了……但在今年一月份，當我們確認它實際上是新的紀錄保持者時，我只是笑了。我不得不從我的辦公椅上站起來，走到走廊，看看其他JADES科學家的表情。”
加州大學聖克魯茲分校的天文學家和JADES成員布蘭特·羅伯遜說，該小組最初的懷疑是有充分理由的，他也是報告新紀錄保持者的預印本論文的合著者。自JWST於2022年初開始執行以來，它一直在揭示似乎打破專家期望的早期星系候選者，但其中一些最終被證明是冒名頂替者——比JWST的第一眼印象表明的更接近我們的現代星系。羅伯遜說，毫不奇怪，最遙遠的星系是最難準確觀測和驗證的；它們的質量可能最令人著迷，但也最值得懷疑。
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JADES-GS-z14-0也不例外；起初，海恩林認為它只是另一個星系的一半。經過仔細檢查，他發現這只是錯覺。另一個星系是一個“前景”物體——一個完全不同的系統，距離我們數十億光年，只是碰巧在我們的視線中與JADES-GS-z14-0重疊。隨著這種關係的解開，候選者的奇異性質變得更加清晰：如果它是一個早期星系，那麼JADES-GS-z14-0異常巨大且形狀不尋常。“那時我已經看過成千上萬個小而模糊的星系，”海恩林說。“但後來這個星系出現了，我首先把它發給了我的同事傑克·赫爾頓[亞利桑那大學]，並說，‘這太奇怪了。’在花了一些時間進一步研究之後，我知道我們必須獲得它的光譜。”
美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）為JWST高階深場河外星系巡天（JADES）計劃拍攝了這張深場影像。這張照片中幾乎每個可見的物體都是遙遠的星系。後續測量表明，其中一個特別的星系JADES-GS-z14-0（在拉出框中顯示）是已知最遙遠的星系；我們在這裡看到它時，它就像大爆炸後約2.9億年的樣子。
NASA, ESA, CSA, STScI, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), P. Cargile (CfA)
光譜由一種稱為光譜儀的儀器生成，它充當一種宇宙條形碼——將光線分解成所有不同波長或顏色的影像，科學家可以研究這些影像以揭示其他隱藏的細節，例如物體與地球的距離。“JWST有一個光譜儀，它可以從這些遙遠的星系中獲取光線，並像稜鏡一樣將其分散到其組成波長中，基本上形成一道彩虹，”羅伯遜說。“基於彩虹的特徵，我們可以判斷一個星系有多遠。這幾乎是我們一直以來確認任何遙遠系統距離的方式。”
然後，科學家使用星系的光譜來計算其宇宙學紅移——一個數值，表示由於光源和觀察者之間空間本身的膨脹，光線從較短、較藍的波長拉伸到較長、較紅的波長。物體離得越遠，由於宇宙膨脹，其後退速度就越快，紅移也就越高。肉眼可見的每個天體都太近而無法顯示這種效應，因此紅移為零。紅移為1對應於超過100億光年的距離。JWST的研究表明，JADES-GS-z14-0的紅移為14.32，是迄今為止記錄的最高值。（JADES-GS-z13-0的紅移為13.2。）
但海恩林說，這個新星系超凡的紅移並不是它如此引人入勝的原因。事實上，JADES團隊懷疑，還有幾個正在等待確認的候選者可能具有更高的紅移，並且來自宇宙時間線的更早時期。相反，使JADES-GS-z14-0如此奇特的是其非凡的亮度、大小和顏色——所有這些似乎都與其恆星數量有關。
羅伯遜說，與現代星系相比，大多數已知的早期星系相對較小且較暗，主要是因為它們相對年輕，還沒有足夠的時間長成巨大且佈滿恆星。JADES-GS-z14-0似乎是一個異常值，它看起來像一個特別明亮的光斑，表明它將數億倍太陽質量的物質塞進了一個直徑約為1700光年的區域。（相比之下，JADES-GS-z13-0的直徑小了近10倍。）一些理論可能暗示，這種亮度來自JADES-GS-z14-0中心一個正在蓬勃發展的超大質量黑洞吞噬氣體。但在這種情況下，光通常會集中在一個更小的區域。相反，海恩林和他的同事們發現的最佳解釋是，這個極其年輕的星系不知何故已經制造了大約5億顆恆星。
然而，基於這個星系奇怪的顏色，它真正的恆星生產力可能甚至更高。典型的成長型星系既產生高質量恆星（它們會發出明亮而藍色的光芒約1000萬年，然後死亡），也產生低質量恆星（它們會發出更紅、更暗的光芒數億至數十億年）。因此，年輕的星系通常非常藍，因為它們大多數明亮的高質量恆星尚未燃盡。但JADES-GS-z14-0不是很藍——實際上它相當紅。星塵可能與此有關。“塵埃通常是在恆星噴射物質或死亡時產生的，”海恩林說。“銀河塵埃導致穿過它的光線看起來是紅色的。當大氣中的塵埃使我們地球上的日落變成紅色和橙色時，我們可以清楚地看到這一點。”星塵可能是罪魁禍首的另一個跡象是JWST測量的星系的中紅外輝光——海恩林和他的同事們說，這是一個線索，表明JADES-GS-z14-0充滿了電離氧雲，氧是一種在恆星核心中鍛造的元素。
然而，如果來自死亡恆星的塵埃是解釋，那麼這會引出一個更令人困惑的問題：如此年輕的星系怎麼可能已經引發瞭如此多的恆星世代？“通常像氧氣這樣的氣體只有在大量恆星度過一生並在超新星爆炸中死亡後才會出現，”海恩林說。“因此，在一個如此年輕的星系中看到氧氣，就像如果你是一個人類學家，你發現一座巨大的古代城市，其中有iPhone的證據。”
JADES-GS-z14-0提出了各種各樣的新問題和理論。羅切斯特理工學院物理學和天文學副教授、宇宙演化早期釋出科學調查成員傑漢·卡達泰佩說，這種令人興奮的怪異現象正是研究人員希望JWST能夠揭示的，宇宙演化早期釋出科學調查是JADES的競爭對手，正在使用JWST進行類似的工作。“自從JWST首次開始採集資料以來，它一直在發現紅移越來越高的星系，多次打破自己的記錄，”她說。“我們可以研究這些系統，並開始真正拼湊出像我們銀河系這樣的星系是如何形成的。”
卡達泰佩、海恩林和羅伯遜都認為，JWST的力量尚未達到極限；如果望遠鏡在一年內揭示新的紅移記錄，他們都不會感到驚訝。“我認為這真的僅僅是開始，”羅伯遜說。“[JADES]一直在研究的這個特定區域非常小。天空中還有更大的區域尚未探索，那裡可能存在甚至更明亮、更遙遠的星系。”JADES-GS-z14-0本身仍然需要更多研究。“我非常興奮地看到社群如何處理這個怪胎，”海恩林說。