曾经的模糊光点，如今的宇宙早期星系：
古老的谜题能否解开
哈勃望远镜看到的微光实际上是一个巨大的古老星系，詹姆斯·韦布太空望远镜揭示了这一点
“短短几年前，Gz9p3星系在哈勃太空望远镜中还仅仅是一个光点。”
星系Gz9p3的复杂形状表明其起源于星系之间的合并。詹姆斯·韦布太空望远镜的直接成像揭示，该星系具有双重星系核，并且合并仍在进行中。
（图源：美国国家航空航天局/波耶特等）
对于哈勃太空望远镜来说，这个星系不过是个微弱的光点，但如今它已经被发现是迄今为止观测到最为古老的星系之一——而这一发现归功于哈勃的“年轻兄弟”：詹姆斯·韦布太空望远镜。
詹姆斯·韦布太空望远镜的 “酒杯”（中文全称为“无缝光谱透镜深场巡天”）国际合作项目对被称为“Gz9p3”的星系进行了详细观测，该星系被观测到大爆炸后仅 5。1 亿年时的图像。对如今已有 138 亿年的宇宙而言，这属于早期形成的星系。
研究团队发现，和韦布太空望远镜观测到的其他古老星系一样，Gz9p3的质量和成熟程度远超预期，尤其是对于一个处于宇宙诞生初期的星系来说。在它被观测到的那个遥远时刻之中，它似乎已经包含了数十亿颗恒星。
哪怕是在“早期星系如何能在如此短的时间内迅速演化得如此庞大”的宇宙难题面前，Gz9p3星系都是一个真正的谜团。它不仅比预期的更为庞大，它的质量甚至达到了韦布望远镜在相近宇宙历史时期观测到的其他星系的十倍左右。
“就在几年前，Gz9p3星系在哈勃太空望远镜还只是个光点，”该团队成员、墨尔本大学的科学家吉特·波耶特在该研究所的出版物《追求》中写道，“但通过詹姆斯·韦布太空望远镜，我们观测到了这个天体在大爆炸后 5。1 亿年左右的样子，也就是大约 130 亿年前。”
Gz9p3星系实在是令人惊叹。除了它的规模和成熟程度外，其形状也揭示了其形成的线索。
Gz9p3是由宇宙早期星系合并产生的吗？
通过使用韦布望远镜及直接成像，团队发现Gz9p3星系形状较为复杂，其中存在两个明亮区域，显示该星系具有两个致密的星系核，这表明Gz9p3星系很可能是在宇宙早期由两个星系碰撞形成的。在天文学家通过韦布望远镜观察到Gz9p3时，这场碰撞可能仍在进行。
“韦布望远镜对这个星系的成像显示了两个相互作用星系的典型形态。而且合并尚未完成，因为我们仍然可以在其中看到不同的两个部分，”波耶特解释道，“两个如此庞大的天体系统合并时，会抛弃一些物质，这些被抛弃的物质能够表明我们观测到的可能是距今最遥远的星系合并之一。”
除了确定这个古老星系的年龄、质量和形状之外，波耶特和他的同事们还深入研究了Gz9p3星系内部，考察了正在碰撞中的星系里存在的恒星种群。因为年轻的恒星比年老的恒星更明亮，前者通常在星系的成像中占主导地位，尤其是对于那些光线经过数十亿年才到达地球的遥远星系而言。
“比如说，在星系合并中诞生的年轻、明亮的恒星群年龄不到几百万年，但它们的光辉已经超过了拥有一亿年以上历史的老恒星群。”波耶特继续说道。
“酒杯”项目合作团队通过对Gz9p3星系进行光谱观测和直接成像来解决这个问题。由于年轻恒星和老恒星的组成不同，用于确定构成恒星元素的光谱学可以让研究人员这中区分这个早期星系里的两类恒星。
韦布望远镜拍摄的宇宙早期某颗恒星超新星死亡的图像，这颗恒星会成为周围的星系下一代恒星的基石。
（图源：美国国家航空航天局/欧洲航天局/加拿大航天局/空间望远镜研究所/贾斯汀·皮埃尔（空间望远镜研究所）/安德烈·纽曼（科学信息俱乐部））
年老的恒星已经消耗了其核心中的氢，将其全部合成为氦，接着将氦合成为更重的元素，天文学家称这些元素为“金属（元素）”。这意味着年老恒星的金属含量比年轻恒星更高，年轻恒星仍主要由氢和少量氦组成。
研究团队利用詹姆斯·韦布望远镜探测Gz9p3星系中年老恒星群拥有的特定元素，比如硅、碳和铁等，其中铁是恒星能够合成的最重的元素。这意味着当这些恒星在超新星爆炸中死亡时，它们为早期宇宙提供了金属元素，而这些金属元素中的大部分后来成为了下一代恒星的建材。
此外，研究团队还发现Gz9p3中年老恒星的数量远超预期。这意味着，尽管天文学家已经知道恒星的生命循环以及后续恒星世代金属含量增加的过程，但Gz9p3的观测结果表明，星系的“化学成熟”（即金属元素累积速度）可能比此前认为的要快得多。
“这些观测为大爆炸后不久恒星和金属元素迅速且高效的形成提供了证据，并说明其与持续进行的星系合并有关，证实了包含数十亿恒星的大型星系比预期得更早存在。”波耶特写道。
暴力的历史
孤立的星系确实会形成恒星，但这个过程非常缓慢，直到当该星系的气体和尘埃（即形成恒星的物质）储量耗尽时，恒星的形成才会终止。
对于彼此接近的星系，恒星形成的过程可以加速，甚至可以在中止后重新被激活。这是因为当这些星系被相互的引力吸引到一起时，它们会发生碰撞。星系碰撞引发的合并会引发新鲜气体的流入，从而触发一个恒星快速诞生的时期，被称为“恒星爆发”。这意味着，星系合并为星系迅速增加其恒星数量提供了绝佳途径。
韦布望远镜观测的合并星系阿普220，该星系距地球约2。5亿光年。
（图源：美国国家航空航天局/欧洲航天局/加拿大航天局/空间望远镜研究所；图像处理：阿丽莎·帕根（空间望远镜研究所））
宇宙中大多数大型星系都是以这种方式成长的；我们生活的银河系也曾经历星系合并的历史：它曾参与吞并了围绕它运行的小型卫星星系。当前，银河系以较低的速率形成恒星，不过在大约45亿年后，情况将发生变化。届时，银河系将与邻近的仙女座星系发生碰撞，引发宇宙气体的大量涌入，从而带来新一轮恒星的“爆发”式诞生。
得益于对Gz9p3星系的观测，天文学家得出结论：这种快速积累质量和孕育恒星的途径在早期宇宙中的影响比预测的要大得多。
“对Gz9p3的观测表明，在早期宇宙中，星系能够通过合并快速积累质量，其恒星形成效率比我们预期的更高，”波耶特解释道，“这些观测结果和通过詹姆斯·韦布望远镜得到的其他观测数据正在促使天体物理学家调整宇宙早期的模型。”
“我们的宇宙学模型不一定是错误的，但我们对星系形成速度的理解可能是有问题的，因为这些星系的质量比我们曾认为的要大得多。”
BY:Robert Lea
FY: 雨上萧
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选文：天文志愿文章组-
翻译：天文志愿文章组-雨上萧
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排版：天文志愿文章组-零度星系
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自：https://www.space.com/james-webb-space-telescope-hubble-speck-light-gz9p3
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