一个只有3.5亿年历史的星系拥有惊人数量的金属

与JWST合作的天体物理学家在大爆炸仅3.5亿年后的星系中发现了数量惊人的金属。这与我们对宇宙的理解有何关系?

宇宙最初金属的起源是天体物理学的一个基本问题。大爆炸后不久，宇宙几乎完全由氢组成，氢是最简单的元素。有少量的氦，甚至更少的锂，可能还有极少量的铍。当你查看元素周期表时，它们是前四种。

在天文学中，所有比氢和氦重的元素都称为金属。金属是在恒星中产生的，而不是在其他地方产生的(除了大爆炸本身产生的少量金属)。追踪从大爆炸到现在宇宙金属的形成是天体物理学的基本任务之一。

金属丰度是我们研究宇宙的一个基本概念。没有金属，岩石行星就无法形成。生活也不能。在连续一代的恒星中，宇宙的金属丰度不断增加。因此，有一条潜在的轨迹源于最初的金属，并直接通向我们。

对古代星系的研究是詹姆斯·韦伯太空望远镜的主要任务之一。JWST高级深河外巡天(JADES)检查了天空的一个区域，寻找微弱的早期星系。通过回顾宇宙的早期星系，JWST正在揭示古代金属丰度。

一组从事JADES观测的研究人员检查了大爆炸后仅3.5亿年的星系，并发现了碳。他们可能还发现了氧和氖，这些都是天文学中的金属。他们的发现发表在arXiv预印本服务器上的一篇新论文中，题为“JADES：富含气体的星系中大爆炸后碳浓缩350迈尔”。主要作者是剑桥大学卡维利宇宙学研究所的博士后天体物理学家FrancescoD'Eugenio。

宇宙中形成的第一批恒星被称为第三族恒星。它们是最古老的恒星，质量巨大、明亮且炽热，几乎不含金属。他们所持有的微量金属来自于他们中的第一颗超新星。

我们对第三族恒星的大部分了解都是理论上的，因为这些古老的恒星在其古老的星系中非常难以观测。但JWST有能力做到这一点。它无法识别单个恒星，但其强大的NIRSpec仪器可以通过其明显的光特征来检测星系中的不同元素。

这项新研究基于宇宙黎明附近z=12.5的星系，宇宙黎明是宇宙历史上的一个关键时代。当研究人员研究JWST的观测结果时，他们发现星系中存在大量碳。它要么在星际介质(ISM)中，要么在环银河介质(CGM)中。“这是对金属转变的最远探测，也是通过发射线进行最远红移测定，”他们解释道。这也是迄今为止发现的“最遥远的化学浓缩证据”。

这一发现直接与我们对无金属族III星的理解相冲突。作者写道：“Ciii的探测及其高EW(等效宽度)排除了原始恒星群的可能性。”

如果韦伯已经排除了原始的、无金属的第三族恒星的存在，那么这就是一个大新闻。这是强大的太空望远镜颠覆我们对周围宇宙的最佳解释的另一个例子。但这并不完全令人震惊。III星族恒星的存在是理论上的。考虑到我们对宇宙所知的一切，它们的存在是有道理的。

但第三族恒星从来都不是确定的。

当发现这样的东西时，科学家们会煞费苦心地考虑对他们所看到的现象的所有其他可能的解释。

他们真的在这个遥远而古老的星系的恒星中看到了碳吗?或者这些排放背后还有其他原因吗?古老的星系中不仅仅有恒星。它也是超大质量黑洞(SMBH)的所在地。当SMBH以物质为食时，它会像活跃星系核(AGN)一样明亮地耀斑。这种光信号可能就是JWST所看到的。

研究人员解释说：“此外，在这个星系中发现了一个超大质量的吸积黑洞，这表明奇特的化学丰度可能主要与其核区域有关。”

银河系中还有另一个潜在的碳源。它们是AGB恒星——渐近巨分支恒星。AGB恒星不像超新星前身那样是大型爆炸恒星，但它们是已经离开主序带的大型恒星。与超新星相比，AGB恒星温和地产生金属。

但恒星演化成AGB恒星需要很长时间。当宇宙只有3.5亿年的历史时，没有任何恒星能够存活足够长的时间来形成AGB。“……AGB恒星在这些早期时代无法对碳富集做出贡献，”作者写道。

最后，研究人员报告了碳的检测，但他们无法告诉我们碳的确切来源。他们写道，它们可能是“……来自第三族祖先的第一代超新星的遗产”。

为了观测这个早期星系，JWST已经发挥到了极限。作者解释说：“对最远金属转变的检测提供了有关化学富集最早阶段的宝贵信息，但需要很长时间的暴露。”由于该星系极其微弱，JWST花了65个小时才收集到这些数据。

即使花费了这么多的观察时间，研究人员也只能对他们所看到的金属丰度得出初步解释。使用65小时的JWST时间来对星系进行光谱研究不太实际，但这正是JWST需要为这种精确光谱所做的事情。未来这种情况可能会改变。

研究人员写道：“然而，在未来，大面积调查和引力透镜可能有助于识别更多的高红移星系，这些星系足够明亮，可以在更短的曝光时间内进行深度光谱跟踪。”

当这种情况发生时，天体物理学家将拥有备受追捧的更大样本量。有了这些有价值的数据，也许他们可以对这一令人惊讶的发现得出更坚定的解释。