天文学家们回溯到宇宙形成不到3亿年时的时间。研究小组利用詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）揭示了银河系中一些非凡的事物：大量的氧气。
大学的天文学家们了解到一个令人惊讶的成熟星系，该星系在宇宙形成不到3亿年时存在 – 仅占其当前年龄的2%。
根据NASA的詹姆斯·韦布太空望远镜观测，研究人员表示，这个被称为JADES-GS-z14-0的星系在这个原始时代中亮度和化学复杂性超出预期。这为我们提供了对宇宙最早篇章的珍贵一瞥。
这些发现发表在《自然天文学》（Nature Astronomy）期刊上，建立在研究人员此前的发现基础上，2024年报告了JADES-GS-z14-0是有史以来最遥远的星系。虽然最初的发现确立了星系的创造性的距离和意想不到的亮度，但这项新研究深入探讨了其化学成分和演化状态。
这项工作是JWST高级深空外星系调查（JADES）的组成部分，这是一个旨在研究遥远星系的重大詹姆斯·韦布太空望远镜计划。
新研究的合著者、亚利桑那大学斯图尔德天文台的副研究教授凯文·哈因林（Kevin Hainline）表示，这并非纯粹偶然发现了什么意想不到的东西。这个调查是故意设计用来寻找遥远星系的，但这个星系以意想不到的方式打破了团队的记录 – 它本身亮度高，并且在宇宙历史的这么早期就具有复杂的化学成分。
“这不仅仅是一个小小的颗粒。它亮度高，并且对于我们观察时宇宙的年龄来说相当广泛，”哈因林说。
首席研究作者、斯图尔德天文台的研究生雅各布·赫尔顿（Jakob Helton）表示：“我们在天上小小的区域里发现这个星系意味着那里应该有更多的此类星系。如果我们观察整个天空，虽然用JWST无法做到，我们最终会发现更多这些极端的对象。”
研究小组使用了JWST上多个仪器，包括近红外相机（NIRCam），其构建由亚利桑那大学的天文学荣誉教授马尔西亚·里克（Marcia Rieke）领导。望远镜上的另一个仪器，中红外仪器（MIRI），揭示了一个非凡的发现：大量的氧气。
赫尔顿说，在天文学中，任何比氦重的东西都被视为“金属”。这些金属需要几代星星来生产。早期宇宙只包含氢、氦和微量锂。但在JADES-GS-z14-0星系中发现大量氧气意味着这个星系可能在被观察之前形成了100百万年的星星。
乔治·里克（George Rieke），天文学荣誉教授及该研究的高级作者表示，为了制造氧气，星系必须在非常早期就开始，因为它必须形成一代星星。那些星星必须进化并以超新星的形式爆炸，将氧气释放到星际空间中，从而形成和进化出新的星星。
“要获得如此多的氧气，这是一个非常复杂的循环。所以，这确实让人感到不可思议，”里克说。
这一发现表明，星星的形成开始得比科学家之前所想的要早，这推迟了宇宙大爆炸后第一批星系形成的时间表。
这个观测需要大约9天的望远镜时间，包括167小时的NIRCam成像和43小时的MIRI成像，聚焦于一个极小的天空部分。
亚利桑那大学的天文学家们很幸运，因为这个星系恰好位于他们用MIRI观察的完美位置。如果他们将望远镜只微微偏转一点方向，就会错过这个至关重要的中红外数据，赫尔顿说。
“想象一下，在你手臂末端的一个沙粒。你能看到天空中它有多大 – 这就是我们观察的范围，”赫尔顿说。
如此早在宇宙历史中存在这样一个发达的星系，为星系形成的理论模型提供了有力的测试案例。
里克说：“我们的参与是亚利桑那大学自60年代中期在红外天文学领域领先的产物。当时它首次启动。我们在月球和行星实验室中拥有第一组大型红外天文学团队，包括杰拉德·库伯（Gerard Kuiper）、弗兰克·洛（Frank Low）和哈罗德·约翰逊（Harold Johnson）。”
随着人类获得直接观察和理解宇宙幼年时期存在的星系的能力，这可以为我们如何从简单元素演变到生命所需的复杂化学提供至关重要的见解。
哈因林说：“我们正处于天文学历史的一个令人难以置信的时期。我们能够理解那些超越人类曾发现的一切的星系，并以许多不同的方式观察和真正理解它们。这真的是一种魔法。”
