凯文·海恩林可以从他的办公桌上进行时间旅行。好吧，他不能真正地让自己回到过去。但是，作为美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的用户，这位亚利桑那大学的天文学家经常观察数十亿年前的星系——因为它们发出的光需要那么长的时间才能从宇宙的另一端到达我们这里。最近，他追踪到一个比以往任何时候都更早的宇宙历史。
这个破纪录的星系，名为JADES-GS-z14-0，在我们看来，它存在于大爆炸后2.9亿年，当时宇宙仅为其目前138亿年年龄的2%。这使其位于一个被称为宇宙黎明的神秘时代——那时宇宙中的第一批恒星开始闪耀，星系开始合并。前纪录保持者是一个名为JADES-GS-z13-0的星系，由海恩林和他在JWST高级深场河外星系巡天（JADES）研究团队的同事于2022年报告，据观测大约在大爆炸后3.25亿年。海恩林承认，这种年龄差异可能看起来微不足道；从宇宙的角度来说，仅仅3500万年通常不会发生太多事情。但JADES-GS-z14-0的特性与其稍老的同类星系截然不同，这使其成为一个异常现象，让专家们重新思考宇宙中最早的星系是如何演化的。“由于许多原因，我最初怀疑它有什么特别之处，”海恩林回忆起他最初瞥见这个星系时的情景。“它看起来太大了，太亮了……但在今年一月份，当我们确认它实际上是新的纪录保持者时，我只是笑了。我不得不从我的办公椅上站起来，走到走廊，看看其他JADES科学家的表情。”
加州大学圣克鲁兹分校的天文学家和JADES成员布兰特·罗伯逊说，该小组最初的怀疑是有充分理由的，他也是报告新纪录保持者的预印本论文的合著者。自JWST于2022年初开始运行以来，它一直在揭示似乎打破专家期望的早期星系候选者，但其中一些最终被证明是冒名顶替者——比JWST的第一眼印象表明的更接近我们的现代星系。罗伯逊说，毫不奇怪，最遥远的星系是最难准确观测和验证的；它们的质量可能最令人着迷，但也最值得怀疑。
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JADES-GS-z14-0也不例外；起初，海恩林认为它只是另一个星系的一半。经过仔细检查，他发现这只是错觉。另一个星系是一个“前景”物体——一个完全不同的系统，距离我们数十亿光年，只是碰巧在我们的视线中与JADES-GS-z14-0重叠。随着这种关系的解开，候选者的奇异性质变得更加清晰：如果它是一个早期星系，那么JADES-GS-z14-0异常巨大且形状不寻常。“那时我已经看过成千上万个小而模糊的星系，”海恩林说。“但后来这个星系出现了，我首先把它发给了我的同事杰克·赫尔顿[亚利桑那大学]，并说，‘这太奇怪了。’在花了一些时间进一步研究之后，我知道我们必须获得它的光谱。”
美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）为JWST高级深场河外星系巡天（JADES）计划拍摄了这张深场图像。这张照片中几乎每个可见的物体都是遥远的星系。后续测量表明，其中一个特别的星系JADES-GS-z14-0（在拉出框中显示）是已知最遥远的星系；我们在这里看到它时，它就像大爆炸后约2.9亿年的样子。
NASA, ESA, CSA, STScI, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), P. Cargile (CfA)
光谱由一种称为光谱仪的仪器生成，它充当一种宇宙条形码——将光线分解成所有不同波长或颜色的图像，科学家可以研究这些图像以揭示其他隐藏的细节，例如物体与地球的距离。“JWST有一个光谱仪，它可以从这些遥远的星系中获取光线，并像棱镜一样将其分散到其组成波长中，基本上形成一道彩虹，”罗伯逊说。“基于彩虹的特征，我们可以判断一个星系有多远。这几乎是我们一直以来确认任何遥远系统距离的方式。”
然后，科学家使用星系的光谱来计算其宇宙学红移——一个数值，表示由于光源和观察者之间空间本身的膨胀，光线从较短、较蓝的波长拉伸到较长、较红的波长。物体离得越远，由于宇宙膨胀，其后退速度就越快，红移也就越高。肉眼可见的每个天体都太近而无法显示这种效应，因此红移为零。红移为1对应于超过100亿光年的距离。JWST的研究表明，JADES-GS-z14-0的红移为14.32，是迄今为止记录的最高值。（JADES-GS-z13-0的红移为13.2。）
但海恩林说，这个新星系超凡的红移并不是它如此引人入胜的原因。事实上，JADES团队怀疑，还有几个正在等待确认的候选者可能具有更高的红移，并且来自宇宙时间线的更早时期。相反，使JADES-GS-z14-0如此奇特的是其非凡的亮度、大小和颜色——所有这些似乎都与其恒星数量有关。
罗伯逊说，与现代星系相比，大多数已知的早期星系相对较小且较暗，主要是因为它们相对年轻，还没有足够的时间长成巨大且布满恒星。JADES-GS-z14-0似乎是一个异常值，它看起来像一个特别明亮的光斑，表明它将数亿倍太阳质量的物质塞进了一个直径约为1700光年的区域。（相比之下，JADES-GS-z13-0的直径小了近10倍。）一些理论可能暗示，这种亮度来自JADES-GS-z14-0中心一个正在蓬勃发展的超大质量黑洞吞噬气体。但在这种情况下，光通常会集中在一个更小的区域。相反，海恩林和他的同事们发现的最佳解释是，这个极其年轻的星系不知何故已经制造了大约5亿颗恒星。
然而，基于这个星系奇怪的颜色，它真正的恒星生产力可能甚至更高。典型的成长型星系既产生高质量恒星（它们会发出明亮而蓝色的光芒约1000万年，然后死亡），也产生低质量恒星（它们会发出更红、更暗的光芒数亿至数十亿年）。因此，年轻的星系通常非常蓝，因为它们大多数明亮的高质量恒星尚未燃尽。但JADES-GS-z14-0不是很蓝——实际上它相当红。星尘可能与此有关。“尘埃通常是在恒星喷射物质或死亡时产生的，”海恩林说。“银河尘埃导致穿过它的光线看起来是红色的。当大气中的尘埃使我们地球上的日落变成红色和橙色时，我们可以清楚地看到这一点。”星尘可能是罪魁祸首的另一个迹象是JWST测量的星系的中红外辉光——海恩林和他的同事们说，这是一个线索，表明JADES-GS-z14-0充满了电离氧云，氧是一种在恒星核心中锻造的元素。
然而，如果来自死亡恒星的尘埃是解释，那么这会引出一个更令人困惑的问题：如此年轻的星系怎么可能已经引发了如此多的恒星世代？“通常像氧气这样的气体只有在大量恒星度过一生并在超新星爆炸中死亡后才会出现，”海恩林说。“因此，在一个如此年轻的星系中看到氧气，就像如果你是一个人类学家，你发现一座巨大的古代城市，其中有iPhone的证据。”
JADES-GS-z14-0提出了各种各样的新问题和理论。罗切斯特理工学院物理学和天文学副教授、宇宙演化早期发布科学调查成员杰汉·卡塔尔泰佩说，这种令人兴奋的怪异现象正是研究人员希望JWST能够揭示的，宇宙演化早期发布科学调查是JADES的竞争对手，正在使用JWST进行类似的工作。“自从JWST首次开始采集数据以来，它一直在发现红移越来越高的星系，多次打破自己的记录，”她说。“我们可以研究这些系统，并开始真正拼凑出像我们银河系这样的星系是如何形成的。”
卡塔尔泰佩、海恩林和罗伯逊都认为，JWST的力量尚未达到极限；如果望远镜在一年内揭示新的红移记录，他们都不会感到惊讶。“我认为这真的仅仅是开始，”罗伯逊说。“[JADES]一直在研究的这个特定区域非常小。天空中还有更大的区域尚未探索，那里可能存在甚至更明亮、更遥远的星系。”JADES-GS-z14-0本身仍然需要更多研究。“我非常兴奋地看到社区如何处理这个怪胎，”海恩林说。