天文学家在新生宇宙中发现富含金属的星系

扫描美国宇航局詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 拍摄的早期星系的第一张图像时，康奈尔大学的天文学家在其外缘附近发现了一团光。

他们最初的焦点，也是红外天文台的目标，是SPT0418-47，它是早期宇宙中最亮的尘埃星系之一，它的远方光线被前景星系的引力弯曲并放大成一个圆圈，称为爱因斯坦环。

但是，他们深入研究去年秋天发布的早期JWST图像数据，得到了一个偶然的发现：以前隐藏在前景星系的光之后的一个伴星系。令人惊讶的是，这个伴星系似乎已经容纳了多代恒星，尽管它很年轻，估计只诞生了14亿年。

负责数据分析的天文学家说：“我们发现这个星系的化学成分非常丰富，这是我们没有人预料到的。” “JWST改变了我们看待这个系统的方式，并开辟了新的场所来研究恒星和星系在早期宇宙中是如何形成的。”

通过研究JWST NIRSpec仪器图像每个像素中嵌入的光谱数据，天文学家确定了环内的第二个新光源。他确定这两个新光源是一个新星系的图像，该图像被负责创建环的同一个前景星系引力透镜化，尽管它们要暗8到16倍——这证明了JWST红外视觉的力量。

对光的化学成分的进一步分析证实，有氢、氮和硫原子的强发射线显示出类似的红移——衡量一个星系的光随着距离变远而延伸到更长、更红的波长的量。这使得这两个星系与地球的距离大致相同——计算为大约4.2的红移，或宇宙年龄的大约 10%——并且在同一个星系。

为了验证他们的发现，研究人员回到了早期的ALMA观察。他们发现电离碳的发射线与JWST观察到的红移非常匹配。

“这真的很明确，”Vishwas说。“因为我们有几条发射线移动了完全相同的量，所以毫无疑问这个新星系就是我们认为的地方。”

研究小组估计，他们标记为 SPT0418-SE 的伴星系与环的距离在5千秒差距以内。（麦哲伦星云是银河系的卫星，距离我们大约 50000秒差距。）这种接近表明星系必然会相互作用，甚至可能合并，这一观察有助于了解早期星系可能如何演化成较大星系。

这两个星系的质量与早期宇宙中的星系一样适中，“SE”相对较小且尘埃较少，使其看起来比极度被尘埃遮蔽的环更蓝。根据具有相似颜色的附近星系的图像，研究人员认为它们可能存在于“一个巨大的暗物质晕中，其邻居尚未被发现”。

考虑到伴星系的年龄和质量，最令人惊讶的是它的金属含量——比氦和氢重的元素数量，例如碳、氧和氮。该团队估计这与我们的太阳相当，太阳已有超过40亿年的历史，并且从前几代恒星那里继承了大部分金属，这些恒星有80亿年寿命。

“我们看到至少几代恒星在宇宙存在的第一个十亿年内生存和死亡的残余物，这不是我们通常看到的，”Vishwas说。“我们推测在这些星系中形成恒星的过程一定非常高效并且在宇宙中很早就开始了，特别是为了解释测得的氮相对于氧的丰度，因为这个比率是衡量恒星代数的可靠指标已经生活和死亡。”

研究人员已经提交了一份关于JWST观测时间的提案，以继续研究环及其伴星，并协调光学和远红外光谱之间观察到的潜在差异。

研究小组仍在研究这个星系，这些数据还有更多值得探索的地方。