詹姆斯韦伯（JWST）观测到了与天文学模型背离的“氢排放”现象
NASA/ESA/CSA 詹姆斯·韦伯太空望远镜的关键任务之一是探测早期宇宙。现在，韦伯 NIRCam 仪器无与伦比的分辨率和灵敏度首次揭示了早期宇宙中星系的局部环境。这解决了天文学中最令人费解的谜团之一——为什么天文学家检测到氢原子发出的光，而氢原子本应被大爆炸后形成的原始气体完全阻挡。这些新的韦伯观测发现，星系周围存在微小而微弱的物体，这些物体显示出“无法解释的”氢排放。结合对早期宇宙星系的最先进的模拟，观测结果表明这些邻近星系的混沌合并是氢排放的来源。
光以有限的速度（每秒 30 万公里）传播，这意味着星系距离越远，其发出的光到达太阳系所需的时间就越长。因此，对最遥远星系的观测不仅可以探测宇宙的遥远范围，而且还使我们能够研究宇宙的过去。为了研究非常早期的宇宙，天文学家需要极其强大的望远镜，能够观测非常遥远（因此非常微弱）的星系。韦伯的关键能力之一是能够观察那些非常遥远的星系，从而探索宇宙的早期历史。一个国际天文学家团队充分利用了韦伯惊人的能力来解决天文学中一个长期存在的谜团。
最早的星系是充满活力和活跃的恒星形成的场所，因此是氢原子发射的一种称为莱曼-α发射的光的丰富来源[1]。然而，在再电离时期[2]，大量的中性氢气包围了这些活跃恒星形成的区域（也称为恒星苗圃）。此外，星系之间的空间比现在充满了更多的中性气体。这种气体可以非常有效地吸收和散射这种氢排放[3]，因此天文学家很早就预测，早期宇宙中释放的大量莱曼-α排放在今天应该是观测不到的。然而，这一理论并不总是经得起检验，因为天文学家之前已经观察到了非常早期的氢排放的例子。这就提出了一个谜：这种早就应该被吸收或散射的氢排放是如何被观察到的？剑桥大学研究员兼新研究首席研究员 Callum Witten 阐述道：
“之前的观测提出的最令人费解的问题之一是在极早期宇宙中检测到来自氢原子的光，这些光应该被大爆炸后形成的原始中性气体完全阻挡。之前已经提出了许多假设来解释这种‘无法解释’的排放的大逃逸。”
该团队的突破归功于韦伯将角分辨率和灵敏度完美结合。使用韦伯近红外相机仪器进行的观测能够分辨出围绕着明亮星系的更小、更暗的星系，这些明亮星系中检测到了“无法解释的”氢排放。换句话说，这些星系的周围似乎比我们之前想象的要繁忙得多，充满了小而微弱的星系。至关重要的是，这些较小的星系彼此相互作用并合并，韦伯揭示了星系合并在解释最早星系的神秘发射方面发挥着重要作用。斯坦福大学团队成员 Sergio Martin-Alvarez 补充道：
“哈勃只看到了一个大星系，而韦伯看到了一群较小的相互作用星系，这一发现对我们 对一些最初星系意外氢排放的理解产生了巨大影响。”
然后，该团队使用最先进的计算机模拟来探索可能解释其结果的物理过程。他们发现，通过星系合并，恒星质量的快速积累既推动了强烈的氢排放，又促进了辐射通过清除了丰富的中性气体的通道逃逸。因此，以前未观测到的较小星系的高合并率为解决“无法解释的”早期氢排放这一长期存在的难题提供了一个令人信服的解决方案。
该团队正计划对合并各个阶段的星系进行后续观测，以便继续加深对氢排放如何从这些变化的系统中喷射的理解。最终，这将使他们能够提高我们对星系演化的理解。
这些发现今天发表在《自然天文学》上。
笔记
[1]莱曼-α 发射是当激发氢原子中的电子从 n = 2 轨道中的激发态下降到基态 n = 1（原子的最低能态）时发出的波长为 121.567 纳米的光。可以有）。量子物理学规定电子只能存在于非常特定的能态中，这意味着某些能量跃迁（例如当氢原子中的电子从轨道 n = 2 下降到 n = 1 时）可以通过波长来识别在该转变期间发出的光。莱曼-α发射在天文学的许多分支中都很重要，部分原因是宇宙中氢含量如此丰富，而且还因为氢通常被高能过程（例如正在进行的活跃恒星形成）激发。因此，莱曼-α发射可以用作活跃恒星形成正在发生的标志。
[2]再电离时代是宇宙历史的一个非常早期的阶段，发生在重组之后（大爆炸后的第一阶段）。在重组过程中，宇宙冷却到足以使电子和质子开始结合形成中性氢原子。在再电离过程中，更密集的气体云开始形成，形成恒星，最终形成整个星系，其光线逐渐使氢气再电离。
[3]中性氢气由处于最低能态的氢原子组成，每个氢原子的电子都在 n = 1 的轨道上。由于氢原子在莱曼-α 发射过程中发出的光携带着氢原子的能量原子从轨道 n = 2 跃迁到 n = 1 时，当它撞击中性氢原子时，它具有恰好适量的能量来电离原子并将其电子带到下一个可用轨道。这意味着中性气体很容易吸收和阻止莱曼-α 发射。
更多信息
韦伯望远镜是有史以来发射到太空的最大、最强大的望远镜。根据一项国际合作协议，欧空局使用阿丽亚娜 5 号运载火箭提供望远镜的发射服务。欧空局与合作伙伴合作，负责韦伯任务的阿丽亚娜 5 号改装件的开发和鉴定，以及阿丽亚娜航天公司的发射服务采购。ESA 还提供了主力光谱仪 NIRSpec 和 50% 的中红外仪器 MIRI，该仪器由国家资助的欧洲研究所联盟（MIRI 欧洲联盟）与喷气推进实验室和亚利桑那大学合作设计和建造。
韦伯是 NASA、ESA 和加拿大航天局 (CSA) 之间的国际合作伙伴。
参与这项研究的国际天文学家团队包括：Callum Witten（英国剑桥大学天文学研究所 [IoA] 和英国剑桥大学卡夫里宇宙学研究所 [Kavli]）、Nicolas Laporte（卡夫里和卡文迪什实验室，英国剑桥大学 [卡文迪什]) Sergio Martin-Alvarez (美国斯坦福大学科维理粒子天体物理和宇宙学研究所)、Debora Sijacki (IoA 和 Kavli)、Yuxuan Yuan (IoA 和 Kavli) Martin G. Haehnelt (IoA 和 Kavli) Kavli）、William M. Baker（Kavli 和卡文迪什）、James S. Dunlop（英国爱丁堡大学天文研究所、英国皇家天文台）、Richard S. Ellis（英国伦敦大学学院物理与天文学系 [UCL] ])、Norman A. Grogin（美国太空望远镜科学研究所 [STScI]）、Garth Illingworth（美国圣克鲁斯加利福尼亚大学天文学和天体物理系）、Harley Katz（英国牛津大学物理系） ）、Anton M. Koekemoer（STScI）、Daniel Magee（UCO/Lick 天文台、加州大学圣克鲁斯分校，美国）、Roberto Maiolino（Kavli、卡文迪什和伦敦大学学院）、William McClymont（Kavli 和 Cavendish）、Pablo G. Pérez -González（西班牙 CSIC-INTA 天体生物学中心）Dávid Puskás（Kavli 和 Cavendish）、Guido Roberts-Borsani（美国洛杉矶加利福尼亚大学物理与天文学系）、Paola Santini（INAF - 天文观测站）意大利罗马）、夏洛特·西蒙兹（Kavli 和卡文迪什）。
图片来源：ESA/Webb、NASA 和 CSA、S. Finkelstein (UT Austin)、M. Bagley (UT Austin)、R. Larson (UT Austin)、A. Pagan (STScI)、C. Witten、M. Zamani (欧空局/韦伯)