在“时间黎明”附近的远古星系中发现了复杂分子

在宇宙大爆炸后不到15亿年的早期宇宙中，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）发现了一个惊人的星系。

从一个名为“SPT0418-47”的星系发出的超过120亿年的光中，天文学家梳理出了复杂分子的光谱信号 —— 多环芳烃（PAHs），它构成了在恒星之间漂浮的云中的一些尘埃颗粒，吸收光并以红外波长重新发射。

上图：在这里，SPT0418-47显示为红色，它的光被蓝色的透镜前景星系扭曲成一个环。多环芳烃是橙色的斑点。

这些尘埃表明了恒星形成的高速率，对于这个早期宇宙时代的星系来说，这并不意外。但是，德克萨斯农工大学天文学家贾斯汀·斯皮尔克（Justin Spilker）领导的一个研究小组认为，尘埃的分布并不均匀，这表明这种恒星的形成可以映射到星系内的不同位置。

能够对如此遥远的星系进行如此详细的观测，真的是相当令人兴奋！

研究人员写道：“在这里，我们展示了詹姆斯韦伯太空望远镜的观测结果，它探测到了大爆炸后不到15亿年观测到的星系中3.3微米的多环芳烃特征。多环芳烃特征的高等效宽度表明，整个星系中主导红外发射的是恒星形成，而不是黑洞吸积。”

“我们的观察表明，多环芳烃分子和大尘埃颗粒的发射差异是早期星系内部局部过程的复杂结果。”

多环芳烃（PAHs）可能听起来很夸张，但它们并不特别罕见。在地球上，它们就像烟灰一样常见。因为它们就在烟灰里。它们是一类有机化合物，含有碳原子环，可以在压缩和加热有机物质的过程中形成。煤中含有多环芳烃，烟雾、烟雾和原油也是如此。

多环芳烃的来源也可能是非生物性的。据我们所知，宇宙中大多数多环芳烃都是非生物性的。而且，外面的世界有很多这样的东西。

先前的分析表明，在像我们这样的星系中，大约15%的恒星之间的碳都与多环芳烃有关。其中，大部分以星际介质中的尘埃形式漂浮在恒星之间，它们被认为是恒星形成的相当可靠的示踪剂。

我们已经在其他星系中发现了多环芳烃，但在非常遥远的星系中发现它们更具挑战性。这些分子吸收光并以红外波长重新发射，而以前的红外望远镜的灵敏度和覆盖范围都非常有限。然而，我们现在有了JWST，有史以来最强大的太空望远镜，红外波长最强。

上图：引力透镜图解。

但是，单靠这一点是不够的。实际上 JWST 不得不利用物理学的一个怪癖来进行如此详细的观察：引力透镜。这是宇宙中大质量物体周围的时空引力曲率。想象一下，把一个保龄球放在蹦床上，蹦床的织物会随着质量的变化而弯曲和拉伸。

在星系和星系团等大质量物体周围，时空也会发生类似的事情，但这还有一个额外的好处。因为时空是扭曲和拉伸的，任何穿过它的光也会被扭曲、放大，有时还会被复制。这意味着，我们可以有效地使用这些透镜作为一种宇宙放大镜，为我们的望远镜增添了很多魅力。

在我们和“SPT0418-47”之间是另一个星系，距离大约30亿光年，正好提供了透镜效应。这意味着当 JWST 作为 TEMPLATES 早期发布科学计划的一部分对星系进行观测时，它能够获得足够的细节，以至于天文学家贾斯汀·斯皮尔克和他的同事能够在3.3微米的中红外波长上整理出多环芳烃簇发出的光的光谱特征。

这是迄今为止对复杂芳香分子最遥远的探测，尽管我们仍有很多未知之处（多环芳烃在整个星系中分布不均的原因尚不清楚），但这对未来研究早期宇宙中星系的演化来说是一个令人兴奋的好兆头。

这项研究发表在《自然》杂志上。

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