一幅插圖顯示了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡正在研究一組矮星系 。（圖片來源:美國國家航空航天局/歐空局/羅伯特·李）
據美國太空網（羅伯特·李）：天文學家利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）和阿爾伯特·愛因斯坦100多年前預測的效應發現，早期宇宙中的小星系產生了巨大的沖擊力，在不到10億年的時間里塑造了整個宇宙 。
國際研究小組發現，這些星系類似于今天存在的矮星系，在宇宙大爆炸后5億至9億年的宇宙演化的關鍵階段發揮了至關重要的作用 。科學家們說，這些小星系在新生宇宙中的數量也遠遠超過較大的星系，并補充說 ， 這些領域可能提供了稱為宇宙再電離過程所需的大部分能量 。宇宙再電離對宇宙的成長和發展至關重要 。
“我們真的在談論整個宇宙的全球性轉變 ， ”研究第一作者、巴黎天體物理研究所的天文學家哈基姆·阿泰克告訴Space.com 。“最令人驚訝的是這些微弱的小星系擁有如此強大的能量 ， 它們累積的輻射可以改變整個宇宙 。”
重大變革背后的微小驅動力
在大爆炸發生約3.8億年前，在一個被稱為重組時代的時期，現在已有138億年歷史的宇宙一直是不透明和黑暗的 。這是因為在其致密和超熱狀態下，自由電子無休止地圍繞稱為光子的光粒子反彈 。
然而 ， 后來在重組時期，宇宙已經膨脹和冷卻到足以允許電子與質子結合并產生第一批氫原子，這是宇宙中最輕和最簡單的元素 。自由電子的消失意味著光子突然可以自由旅行 ， 因此，宇宙的“黑暗時代”結束了 。宇宙突然變得對光透明 。這種“第一道光”今天可以以宇宙化石的形式看到，宇宙化石均勻地充滿了宇宙，稱為“宇宙微波背景”或“CMB” 。
因為電子和質子具有相等但相反的電荷 ， 所以這些最初的原子是電中性的 ， 但它們很快會經歷另一次轉變 。
4億年后，第一批恒星和星系形成——然后，在再電離時代，宇宙中的主要元素中性氫轉化為帶電粒子 。這些粒子被稱為離子 。電離是由電子吸收光子并增加其能量，從原子中掙脫出來引起的 。直到現在，科學家們還不確定這種電離輻射來自哪里 。
宇宙的演化伴隨著宇宙黑暗時代的結束 。(圖片鳴謝:美國國家航空航天局)
再電離背后的輻射源嫌疑人包括超大質量黑洞，它們以周圍吸積盤的氣體為食——導致這些區域噴射高能輻射——質量超過10億個太陽的大星系和質量小于10億個太陽的小星系 。
“實際上，我們已經就這個問題爭論了幾十年，無論是大質量黑洞還是大質量星系 。甚至還有一些奇特的解釋，比如暗物質湮滅產生了電離輻射，”Atek說，“最佳候選之一是星系，現在我們已經證明小星系的貢獻是巨大的 。
“我們沒想到小星系會如此高效地產生電離輻射 。即使對于正常大小的星系來說，這也比我們預期的高四倍 。”
長期以來，確定較小的矮星系是這種電離輻射的主要來源是一項挑戰，因為它們非常微弱 。
“很難獲得這種信息和這些觀測結果，但JWST具有紅外光譜能力 。事實上，我們建造JWST的原因之一是為了了解再電離時代發生了什么，”阿雷克說 。
即使有JWST令人印象深刻的紅外觀測能力，如果沒有阿爾伯特·愛因斯坦的幫助，也不可能發現這些矮星系——更具體地說，如果沒有他1915年的廣義相對論及其預測的光效應的幫助 。
阿爾伯特·愛因斯坦伸出援手
廣義相對論認為所有有質量的物體都會扭曲時空結構，事實上，時空是一個名為“時空”的單一實體 。該理論認為，我們對重力的感知是這種彎曲的結果 。一個物體的質量越大，時空的曲率就越“極端” 。因此，它的引力效應越強 。
這種曲率不僅會告訴行星如何在恒星周圍的軌道上運動，進而告訴這些恒星體如何圍繞它們所在星系中心的超大質量黑洞運行，而且它還會改變來自恒星的光的路徑 。
來自背景光源的光在向地球傳播時可以在前景物體周圍采取不同的路徑，并且該路徑越靠近質量大的物體，它就越“彎曲”因此，由于前景或“透鏡”物體的影響，來自同一物體的光可以在不同的時間到達地球 。
一張圖顯示了來自背景物體的光如何被前景物體彎曲 。（圖片來源:美國國家航空航天局、歐空局和l .卡爾阿達）
這種透鏡效應可以改變天空中背景物體的位置，或者使背景物體出現在同一張天空圖像的多個位置 。其他時候，來自背景物體的光被放大 ， 因此該物體在天空中被放大 。
這種效應被稱為“引力透鏡效應”，JWST一直在利用它來觀察時間之初的古老星系 ， 這在其他情況下是不可能看到的 。
為了觀察新研究的遙遠和早期矮星系 ， 并分析它們發出的光，JWST使用了一個名為Abell 2744的星系團作為引力透鏡 。“即使對于JWST星系來說，這些小星系也非常微弱，所以我們需要增加引力透鏡來放大來自它們的通量，”Atek說 。
隨著再電離之謎的潛在解決，該團隊現在的目標是通過另一個名為“驚鴻一瞥”的JWST項目將這項研究擴展到更大的規模 。研究人員將首先嘗試確認這項研究中研究的特定位置代表了宇宙中星系的平均分布 。
然后，除了研究再電離過程外，Atek和他的同事們將致力于更好地了解第一批星系的形成，這些星系在120億年的過程中成長為今天的星系 。
“到目前為止，我們實際上一直在研究大部分明亮的大質量星系，但它們在早期宇宙中并不十分典型 ， ”Atek總結道 。“因此，如果我們想了解第一個星系的形成，我們確實需要了解微小、低質量星系的形成 。這也是我們在這個即將到來的計劃中努力要做的事情 。”
該團隊的研究于周三（2月28日）發表在《自然》雜志上 。
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