天文学家已经在使用 JWST 数据来寻找神秘的星系

图：看，它就在那里，是图像中见过的最遥远的星系。GLASS-z13：奈杜等人。2022，卡斯特拉诺等人。2022; 原始数据：T. Treu (UCLA) 和 GLASS-JWST。NASA/CSA/ESA/STScI；彩色图像：P. Oesch 和 G. Brammer（日内瓦大学和宇宙黎明中心、NBI、哥本哈根大学）

当哈佛的罗汉·奈杜看到银河系时，他做的第一件事就是给他的合作者、耶鲁大学的研究员帕斯卡·厄施（Pascal Oesch）发信息。他做的第二件事是给他的女朋友打电话。

“'你想成为第二个看到可能是已知最遥远星系的人吗？'”奈杜回忆起问她。她看了看，发现它“有点令人印象深刻”，他说，然后回去看电视。“但她来了，”他笑着说。

所讨论的星系候选者 GLASS-z13 在未经训练的人眼中看起来并不多。只是一道红光。但这种不起眼的视觉效果正是 GLASS-z13 吸引了 Naidu 注意力的原因。这就是他期望一个存在于 135 亿年前的星系，一个接近我们探测能力极限的星系，从詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST) 的有利位置观察的方式。

上周JWST第一批数据公开后，天体物理中心博士后研究员奈杜| 哈佛和史密森尼大学在醒着的每个小时都在过滤数据，以寻找迄今为止探测到的最遥远的星系。他没有睡很多觉，但他的努力得到了回报。

7 月 19 日，与来自世界各地的合作者一起，Naidu在专家评审之前向开放访问平台 arXiv 发布了一篇论文，其中描述了两个这样的候选星系。他估计其中一个大约有 135 亿年的历史，是迄今为止探测到的最遥远的星系。这意味着该系统 GLASS-z13 可能早在大爆炸之后的 3 亿年左右，而大爆炸被认为发生在 138 亿年前。因此，GLASS-z13 为天文学家提供了一个前所未见的宇宙早期视角。它已经在挑战关于最早星系的现有想法。

“我简直不敢相信自己的眼睛，”奈杜谈到在 JWST 数据中第一次看到 GLASS-z13 时说。他顿时发现，那是一片明亮清晰，显得有些意外。“尽管宇宙如此年轻，但这些东西还是设法进行了某种快速增长，并如此迅速地变得如此明亮和如此庞大。”

Naidu 小心翼翼地将 GLASS-z13 描述为“候选”星系，因为团队对第一批 JWST 数据的分析仍需要通过后续观测来验证。然而，就在 Naidu 将研究上传到 arXiv 的同一天，另一组研究人员独立发布了一份报告，描述了相同的星系候选者——并将它们列为我们所见过的最遥远的星系。

“如果两个独立的团体看到了这一点，就会给人信心，”英国利物浦约翰摩尔斯大学的天体物理学家Renske Smit说，他没有参与这两篇论文。不过，她说，“我认为我们需要明确确认这些星系是在宇宙中如此早期形成的。”

斯密特说，这一确认将来自随后的 JWST 观测，这些观测更仔细地观察来自 GLASS-z13 的光谱。

图：彩色 GLASS-z13 JWST 图像的未裁剪版本。GLASS-z13：奈杜等人。2022，卡斯特拉诺等人。2022; 原始数据：T. Treu (UCLA) 和 GLASS-JWST。NASA/CSA/ESA/STScI；彩色图像：P. Oesch 和 G. Brammer（日内瓦大学和宇宙黎明中心、NBI、哥本哈根大学）

奈杜和他的同事最初是通过用几种不同的红外波长观察那片天空来确定候选星系的距离。随着光在时间和空间中传播，它的波长被拉伸得更长。因此，它们的光看起来更红，即所谓的“红移”。在我们看来，一个遥远的星系会比附近的类似星系更红。科学家们通过估计 GLASS-z13 发出的光可能移动了多少，估计了它已经传播了多远。

JWST 很像一副夜间护目镜，旨在接收在较长的红外波长光中发现的微弱热信号。但这意味着望远镜还能发现旧的、死亡的或垂死的星系。兰卡斯特大学天体物理学副教授布鲁克·西蒙斯（未参与这篇新论文）说，因为这些星系比年轻的星系更冷，所以即使在附近，它们也会显得很红。但西蒙斯说她认为研究作者做了“合理的工作”试图解释这一点。如果该系统来自“宇宙的中年部分”，她说，“我们仍然能够看到它的波长较短，而我们看不到。”

“你怎么这么快就把所有的星星都弄到里面去了？我们认为建立一个足够大的星系需要时间，它有足够多的恒星让它如此明亮。”

Renske Smit，利物浦约翰摩尔斯大学的天体物理学家

但 GLASS-z13 的红色并不是 Naidu 表明候选星系非常遥远的唯一线索。他还注意到缺少一些东西：最蓝的光子。

奈杜解释说，在非常早期的宇宙中，“中性氢的海洋”吸收了最深的蓝色光子，只留下更红波长的粒子。他说，丢失的光子与氢吸收的光子相对应，这表明 JWST 从 GLASS-z13 看到的光确实来自宇宙的最早部分。

Naidu 和他的同事们已经在努力争取时间在 JWST 上进行必要的后续观察以确认他们的估计。接下来的观察将着眼于来自 GLASS-z13 的光谱的特定部分。这将使他们能够更精确地测量星系候选者的红移。

GLASS-z13 的特征已经为研究宇宙早期的天体物理学家提出了新的问题。首先，它非凡的亮度和质量引起了科学家的注意。他们估计它大约是我们太阳质量的 10 亿倍。

“你怎么这么快就把所有的星星都弄到里面去了？我们认为建立一个足够大的星系需要时间，它有足够多的恒星让它如此明亮，”斯密特说。“因此，要么恒星可能比我们想象的更早开始形成，要么这些星系可能以某种方式真正、非常迅速地形成恒星。我们还不太清楚。”

奈杜说，一些科学模型还预测，像这样的星系极为罕见。“但在这里，我们发现了其中两个，彼此之间的距离不是太远。”

Naidu 论文中描述的另一个星系候选者，称为 GLASS-z11，距离地球的距离可能比 GLASS-z13 略小。它还增加了一个奇怪的细节：它显示了进入螺旋盘形成的迹象。

“我们没想到盘状星系会这么早形成，”西蒙斯说。“几亿年是很短的时间。我们中的很多人都预料到会有很多湍流，很多混乱，很多东西只是聚集在一个质量稍大一点的区域，所以有一点更强的重力，它只会吞噬周围的一切，不一定在那种有序的结构中，你需要形成一个连贯旋转的圆盘。”

在 JWST 获得第一批数据大约一周后，这一发现仅仅是个开始。“这些并不是最早的恒星或星系，”斯密特说。“我们可以期待在未来几年内会有更多破纪录的星系。我认为我们会看到更远、更古老的东西，它们是在大爆炸附近形成的恒星。”