大爆炸十亿年后发现的碳基分子

天文学家对早期宇宙的研究越多，他们的发现就越多。其中一些发现改变了他们对宇宙初期的认识。例如，詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)最近发现了碳基分子和尘埃在大爆炸后仅十亿年就存在的证据。它看起来与后来在宇宙中观察到的尘埃有点不同。

JWST的发现来自一项名为JADES(JWST高级深河外星系巡天)的早期星系巡天。这项调查花了32天的望远镜时间来观察和描述微弱的早期星系。它观察到的尘埃至少存在于所研究的数百个星系之一中。它似乎由石墨或类金刚石颗粒组成，这是我们在宇宙历史的后期阶段经常看到的。

它们的化学特征看起来非常像被称为“多环芳烃”(PAH)的碳基分子。这些分子后来在宇宙中大量存在，但它们不太可能在宇宙只有十亿年历史时就存在。那么，多环芳烃分子的分身为何会在历史如此早期就存在呢?

确定这些碳基分子的来源

天文学家乔里斯·维索克(JorisWitsok)是一篇描述这一发现的论文的主要作者，他推测类金刚石颗粒来自超新星爆炸中喷射出的碎片。“这也可能是由沃尔夫-拉叶星或超新星喷射物在短时间内产生的，”他解释道。

艺术家对宇宙中巨大、明亮的第一代恒星的演绎。当他们死亡时，他们的超新星爆炸产生了尘埃。图片来源：国家奥委会

这些古老的超热恒星可能是某些类型的超新星爆炸的前身。它们将成为制造纳米金刚石和其他碳基灰尘的完美摇篮。事实上，一些模型确实表明富含碳的颗粒来自某些类型的沃尔夫-拉叶星。不仅如此，当恒星爆炸成超新星时，这些颗粒还能幸存下来。

下一个问题是，早期宇宙中是否存在此类恒星，以产生JWST观测到的尘埃。这些尘埃无疑为宇宙中最早的恒星种群提供了诱人的线索。那是因为那些第一批恒星质量很大并且确实爆炸为超新星。

最早的粒子在宇宙还很年轻的时候就形成了——可能早在大爆炸后一亿年。当然，第一个星系可以追溯到大爆炸后约4亿年。第一批恒星是由氢和氦组成的巨大怪人。它们的寿命短暂而快速，并以超新星的形式爆炸。这些爆炸可能提供了宇宙中最早的尘埃例子。

随着早期星系中恒星形成的次数增多，尘埃不断积累，这就是JWST检测到的情况。碳基分子和纳米金刚石需要特定的高温、高能条件，而最早的恒星可以提供这种条件。

碳基分子和灰尘

尘埃存在于整个宇宙中。由于它是恒星演化的产物，因此在早期宇宙中发现这些东西也就不足为奇了。它提供了对恒星过程的洞察，但它也隐藏了很多东西。例如，尘埃阻碍了我们观察银河系核心以及婴儿宇宙中的物体。幸运的是，有一些方法可以“看穿”它，这就是JWST所做的。

对灰尘的化学分析提供了有关其构成的详细信息。某些尘埃分子与特定类型的光相互作用。天文学家利用这一特性来确定尘埃的成分。这就是Witstok领导的团队利用JWST观测结果所做的事情。“富含碳的尘埃颗粒可以特别有效地吸收波长约为217.5纳米的紫外线，这是我们第一次在非常早期星系的光谱中直接观察到这种光，”他在谈到他们的观察时说道。

217.50纳米吸收特征是观察宇宙中PAH分子观测中显着的尘埃和图形的绝佳工具。它可以识别多环芳烃分子以及纳米尺寸的石墨颗粒。如果多环芳烃在宇宙历史的早期就存在那就太酷了。然而，它们的形成过程更多地与新生恒星和系外行星的形成有关。它们在大爆炸后约20亿年之前就没有被观测到。有趣的是，多环芳烃也是生命的基本化学组成部分之一。

如果不是PAH，那还有什么?

有趣的是，JWST看到的特征实际上在226.3纳米处达到峰值。这与217.5nm测量值没有太大区别，并且可能存在测量误差。然而，这种微小的波长差异也很可能表明早期宇宙尘埃的成分与我们在后期时代看到的尘埃的成分略有不同。维斯托克表示，这有点令人兴奋。“吸收最强的波长的这种轻微变化表明我们可能会看到不同的颗粒混合物，例如石墨或类金刚石颗粒，”他说。“这也可能是由沃尔夫-拉叶星或超新星喷射物在短时间内产生的。”

所有这些都不利于对早期星系的持续研究。在JWST之前，天文学家必须对早期宇宙中的多个星系进行成像。反复的观测提供了有关这些早期恒星以及尘埃吸收如何影响它们的光的足够信息。然而，这限制了对长期形成恒星和尘埃的星系的观测。没有太多机会观察年轻的星系和恒星来确定它们的尘埃产生。詹姆斯韦伯太空望远镜允许对宇宙时间最初十亿年中存在的单个矮星系进行观测。当宇宙真正处于婴儿期时，这给了他们研究宇宙尘埃起源的时间窗口。

当然，根据团队成员IreneShivaei的说法，未来还有更多的工作要做。希瓦伊说：“我们计划与模拟星系中尘埃产生和增长的理论家进一步合作。”“这将揭示早期宇宙中尘埃和重元素的起源。”