天文学家使用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 表明，微弱的迷你星系清除了早期宇宙中原子氢的模糊雾霾——首次让星光照亮宇宙。
这项研究今天发表在《自然》杂志上1，提供的证据表明，大约比银河系小100倍的矮星系触发了被称为再电离的过程，该过程改变了宇宙历史的进程。“宇宙变得透明了，”巴黎天体物理研究所的天体物理学家、该研究的主要作者 Hakim Atek 说。“正是由于再电离，我们才能够看到遥远的星系。”
从宇宙黑暗时代中走出
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在大爆炸后约 38 万年间，宇宙是一个由亚原子粒子组成的高温、高密度熔炉。随着宇宙冷却，自由电子和质子结合形成中性氢原子气体。
随之而来的是一段沉闷的黑暗时期。这种情况一直持续到气体在某些地方坍缩聚变，形成第一批恒星，这些恒星产生了紫外 (UV) 光。然而，弥漫在宇宙中的剩余气体要么吸收要么散射了这种光。结果，宇宙就像一片雾蒙蒙的森林，点缀着昏暗、闪烁的萤火虫，光源只能在短距离内可见。
为了使太空变得透明，需要用强大的“电离”辐射轰击这种气体，这可以将中性氢原子转化为带电粒子，或氢离子。三个候选者是被称为类星体的能量光束，它由超大质量黑洞提供动力；质量与银河系大致相当的巨型星系；最后，是“小鱼”——矮星系。
明尼阿波利斯明尼苏达大学的天体物理学家 Claudia Scarlata 说，巨型星系会吸收自身产生的大部分紫外线。而且，可能没有足够的类星体来协调整个过程。然而，矮星系足够小，可以使它们产生的紫外线轻易逸出。
对更年轻、更靠近地球的矮星系的观测表明，它们可以发射电离辐射。美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心（位于马里兰州格林belt）的天体物理学家 James Rhoads 说，“没有什么比实际拥有来自早期星系的数据来证实这一点更好的了”。但来自再电离时期的矮星系太小太暗，即使对于 JWST 来说也难以探测到。
双筒望远镜的故事
为了克服这个问题，作者们利用了一个“天然望远镜”：一个位于距地球约 120 万秒差距的星系团。这个星系团非常巨大，以至于它会扭曲穿过它的光线，从而放大从地球观测到的位于透镜后面的任何光源。
作者利用这个透镜观测了来自再电离时代的八个矮星系，当时宇宙还不到十亿年。这些星系是那个时期观测到的最微弱的天体。
天文学家使用 JWST 收集的数据，分析了来自这些星系的紫外线波长。这使该团队能够估计，即使是这些微弱的小星系，也能够轻易地驱散周围的氢气。研究人员还估计，即使只有 5% 的电离辐射逸散到星系际空间，矮星系在大爆炸后十亿年内也足够丰富，足以电离整个宇宙。
Rhoads 说，小型星系是宇宙中最早形成的星系，这“可能使宇宙历史早期更容易启动 [再电离] 过程”。随着每个星系发出辐射，它有效地吹出一个透明气泡，该气泡膨胀到中性气体中。最终，所有星系的所有气泡重叠，完成了转变。
Atek 说，矮星系会吹出比类星体和巨型星系产生的气泡更小的气泡，而这些小气泡可能确保再电离在整个宇宙中均匀进行。反过来，这对当今宇宙的结构产生了影响。
本文经许可转载，最初于 2024年2月28日发表。