美國國家航空暨太空總署的詹姆士-韋伯太空望遠鏡（JWST）捕捉到了宇宙中一些最早的星光，為我們展現了宇宙大霹靂後不到十億年時的一幕。這些星光來自於一些品質極低的新生星系，它們是宇宙起源故事中的關鍵角色。
一組國際研究人員在【自然】雜誌上發表了他們的研究成果。他們利用 JWST 的數據，首次獲得了這些星系的完整光譜。光譜是一種可以揭示天體物理性質的工具，比如溫度、化學成分和運動狀態。這些光譜顯示了宇宙中被稱為再游離的時期的一些最初可見光。再游離是指宇宙中的氫原子從中性狀態變為游離狀態的過程，這一過程是由最早的恒星和星系的光子引發的。
論文作者之一、賓夕法尼亞州立大學天文學和天體物理學助理教授喬爾-萊亞解釋說，宇宙中的正常物質最初是一團炙熱的濃霧，幾乎完全由氫原子核和氦原子核組成。隨著它的膨脹和冷卻，孤質子和電子開始結合，第一次形成了中性氫。這一時期被稱為宇宙暗時期，因為沒有任何光源可以穿透這層濃霧。
然而，在宇宙大霹靂發生後大約 5 億至 9 億年，情況發生了改變。在早期宇宙中，一些最初的恒星和星系開始出現，它們發出了高能的紫外線光子。這些光子與中性氫交互作用，使其再次分離成游離瓦斯。這就是再游離的開始，它標誌著宇宙的第一盞明燈的點亮，也是宇宙歷史上的一個重要轉折點。
"萊亞說："有什麽東西啟動了，開始向星際虛空泵送高能光子。「這些光源就像宇宙燈塔一樣，燒掉了中性氫的霧氣。不管這是什麽，它的能量如此之高，如此持久，以至於整個宇宙都重新游離了。」
那麽，究竟是什麽東西點亮了宇宙的第一盞明燈呢？科學家們一直在尋找答案，但由於早期宇宙中的恒星和星系非常微弱，很難觀測到它們。直到 JWST 的問世，才為科學家們提供了一個窺探宇宙深處的新視窗。
JWST 是迄今為止最先進的太空望遠鏡，它可以觀測到紅外波段的光，這是早期宇宙中的光經過宇宙膨脹後的波長。JWST 的靈敏度和分辨率都非常高，可以捕捉到一些極其微弱的天體，甚至可以分辨出它們的光譜特征。
除了 JWST 本身的效能之外，科學家們還利用了一種自然現象，即重力透鏡效應，來增強他們的觀測能力。重力透鏡效應是指當一個大品質的天體（如星系團）位於觀測者和背景天體（如遙遠的星系）之間時，它的重力會彎曲空間，從而放大和扭曲背景天體的光線，使其看起來更大、更亮。這就像宇宙放大鏡，讓我們可以看到一些平時看不到的細節。
科學家們選擇了一個名為 Abell 2744 的大型星系團作為他們的重力透鏡，它位於距離地球約 40 億光年的地方。透過這個星系團，他們可以觀測到更遠、更暗的背景星系，其中一些距離地球約 130 億光年，也就是說，它們的光花了 130 億年才到達我們的眼睛，反映了宇宙早期的樣子。
科學家們對 Abell 2744 背景的一些小光點感興趣，他們懷疑這些光點是一些低品質的新生星系，也就是宇宙中最早的星系之一。為了驗證他們的猜想，他們利用 JWST 對這些光點進行了詳細的光譜分析，結果發現了一些令人驚訝的事情。
天文學家發現，在宇宙再游離的這一時期，小型星系的數量比大品質星系多出約一百比一。這些新的觀測結果還顯示，這些小星系產生了大量的游離光子，比通常假設的遙遠星系的標準值高出四倍。這意味著這些星系發出的游離光子總通量遠遠超過了再游離所需的閾值。」
這些發現表明，這些小型星系是宇宙再游離的主要推動力，它們透過向周圍的原始瓦斯發射高能的紫外線光子，使其從中性狀態變為游離狀態，從而清除了宇宙的迷霧，讓光線可以自由傳播。這些小型星系的品質大約只有我們銀河系的千分之一，但它們的恒星形成速率卻非常高，因此它們的能量輸出也非常高。
這些小型星系是如何形成的呢？ 要回答這個問題，我們需要了解宇宙中的原始瓦斯是如何變成恒星和星系的。宇宙中的原始瓦斯主要由氫和氦組成，它們在宇宙大霹靂後不久就形成了。這些瓦斯隨著宇宙的膨脹而冷卻，形成了一些密度較高的區域，這些區域受到重力的作用，逐漸聚集在一起，形成了更大的結構，稱為暗物質暈。暗物質是一種我們無法直接觀測到的物質，但它的存在可以透過它對可見物質的重力影響來推斷。暗物質暈為原始瓦斯提供了一個重力場，使其可以在其中凝聚和冷卻，從而形成恒星和星系。
然而，並不是所有的暗物質暈都能產生恒星和星系。只有當暗物質暈的品質超過一個臨界值時，原始瓦斯才能有效地冷卻，從而塌縮成恒星。這個臨界值取決於原始瓦斯的溫度和密度，以及宇宙的年齡。在宇宙早期，這個臨界值相對較高，因為原始瓦斯的溫度較高，而密度較低。因此，只有品質較大的暗物質暈才能形成恒星和星系。隨著宇宙的演化，這個臨界值逐漸降低，因為原始瓦斯的溫度降低，而密度增加。因此，品質較小的暗物質暈也能形成恒星和星系。
這就意味著，宇宙中的恒星和星系的形成是一個分層的過程，即先形成大的，後形成小的。這個過程被稱為自上而下的結構形成，因為宇宙中的結構是從大尺度到小尺度逐漸形成的。這與我們今天所看到的宇宙中的星系分布是一致的，即大品質的星系往往位於星系團的中心，而小品質的星系往往位於星系團的邊緣。
那麽，我們觀測到的這些低品質的新生星系是如何在宇宙早期形成的呢？科學家們認為，這些星系可能是在一些特殊的環境中形成的，比如在大品質星系的附近，或者在暗物質暈的交匯處。在這些地方，原始瓦斯的密度可能更高，從而降低了形成恒星和星系所需的臨界品質。這些星系可能是一些孤立的個體，也可能是一些大品質星系的衛星。無論如何，這些星系都是宇宙中最早的光源之一，它們對宇宙的再游離和演化產生了重要的影響。
透過研究這些小型星系，我們不僅可以解決宇宙再游離的謎團，還可以了解宇宙中的恒星形成過程，以及星系如何從原始瓦斯中產生和演化的。這些小型星系是宇宙中最原始的星系，它們的性質和演化可以為我們提供宇宙歷史的重要線索。
例如，這些小型星系的光譜可以告訴我們它們的化學成分，從而反映出它們的恒星形成歷史。我們知道，宇宙中的第一代恒星只含有氫和氦，因為這是宇宙大霹靂後形成的唯一元素。這些恒星的品質非常大，壽命非常短，爆發成超新星後，釋放出更重的元素，如碳、氮、氧等。這些元素被稱為金屬，它們被噴射到周圍的空間，與原始瓦斯混合，形成了下一代的恒星和星系。因此，恒星和星系的金屬豐度可以反映出它們的年齡，越年輕的恒星和星系，金屬豐度越低，反之亦然。
透過分析這些小型星系的光譜，科學家們發現，它們的金屬豐度非常低，甚至低於我們銀河系中最古老的恒星。這說明，這些小型星系是由一些非常原始的恒星組成的，它們可能是宇宙中的第二代或第三代恒星。這些恒星的品質可能比第一代恒星小，但仍然比我們今天所看到的恒星大。這些恒星的壽命也比較短，它們可能在幾億年內就結束了它們的生命，釋放出更多的金屬元素，為後來的恒星和星系的形成提供了原料。
