韋伯望遠鏡顛覆認知！宇宙誕生僅 5 億年，早期星系已開始向外散布重元素

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的觀測顯示，宇宙誕生僅約 5 億年後，早期星系便已開始將由恆星製造的重元素散布至周圍空間。研究團隊利用 JWST 近紅外光譜儀（NIRSpec），觀察 3 個紅移介於 7.2 至 9.3 的遙遠星系，這些星系的光穿越超過 130 億年才抵達地球，因此我們看到的是宇宙非常早期的樣貌。過去一般認為，第一批星系周圍的氣體應主要由宇宙初期留下的氫、氦組成，仍接近原始狀態。這項研究卻發現，當時星系周圍已經存在含有氧、碳、矽等重元素的氣體。

▲ 早期星系及其周圍氣體環境的示意圖。橙色結構代表從星系向外排出的富含重元素氣體，呈現年輕星系如何在宇宙誕生後的前5億年內，開始將重元素散布到周圍環境。此圖根據公開的 FIRE-2 宇宙學模擬資料製作，並非望遠鏡直接觀測影像。（Source：Yongda Zhu）

研究團隊透過分析星系本身的紫外光譜，尋找氣體吸收特徵。結果在3個星系都偵測到藍移的金屬吸收線，包括中性氧（O I）、低電離的矽與碳（Si II、C II），以及高電離的矽與碳（Si IV、C IV），相對於星系的系統速度偏移約50至250公里／秒。這些不同電離程度的氣體具有相近的速度結構，顯示它們並非單純靜止於星系內部，而是處於向外流動或其他受到動力擾動的狀態。換言之，第一批恆星形成後不久，恆星活動便可能已將新生成的重元素帶離星系，進入周圍的氣體環境。

這項結果涉及所謂的「重子循環」（baryon cycling），也就是星系內的氣體、重元素與能量受到恆星形成及回饋作用影響，在星系與周圍環境之間反覆輸送與再分布。恆星內部透過核融合製造碳、氧等元素，恆星死亡或超新星爆炸後，再將這些元素釋放至星際空間；如今JWST觀測顯示，這種化學富集與物質再分布在宇宙非常早期便已經發生。研究結果也意味著早期星系並非封閉系統，其周圍環境可能很快受到恆星活動改變。

值得注意的是，這些發現可能有助於理解第一代恆星，也就是「第三星族星」（Population III stars）為何至今仍難以直接觀測。第三星族星理論上形成於幾乎只有氫、氦的原始氣體中。如果星系在大霹靂後僅數億年便已將重元素快速散布至周圍，完全未受污染的原始氣體可能很快變得稀少。本研究結果為了解第一批星系如何成長，以及重元素如何逐步遍布宇宙，提供了新的觀測證據。

（本文由 台北天文館 授權轉載；首圖來源：pixabay）

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