宇宙中第一個星系的五個驚人事實

【博科園-科學科普】關於我們的宇宙最顯著的事實之一就是它並沒有永遠的存在（即有開始也有結束）。我們所看到的物質簇和團簇——行星、恆星、氣體雲、星系以及更多是由那些隨著時間的推移而形成的並由更小的物質組成的。如果我們在更大更遠尺度上觀察物體，光從它們那裡得到的光需要更長的時間才能到達我們的眼睛，這意味著今天到達的光在幾百萬甚至幾十億年前就已經發出了。

宇宙再電離歷史的示意圖，只有在第一顆恆星和星系形成後才會發生。在恆星或星系形成之前宇宙充滿了中性原子。雖然大多數宇宙直到5億5千萬年前才被電離，但一些幸運的區域在較早的時候大多被再電離化了。圖片版權：S. G. Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center

當我們觀測太空時也在回顧時間裡發生的歷史，在某種程度上會到達一個如此之遠的距離，以至於那時沒有恆星或星系。儘管詹姆斯·韋伯太空望遠鏡可以觀測到第一批星系，但我們已經知道了5個令人驚訝的事實，這些事實都是關於這些最遙遠的物體的。

所有太陽系都被認為與之形成的原行星盤，隨著時間的推移將會合併成行星，就像這個插圖所顯示的那樣。然而當宇宙由氫和氦組成時只有氣態行星才能形成，而不是岩石行星。圖片版權：NAOJ

TOP1、最初代的恆星和星系中沒有岩態行星

當從一種氣體分子雲中形成恆星時可以完全預料到氣體會分裂成一系列的團塊，它們以不同的速度生長，這取決於它們的大小和它們附近的其他地方的物質。巨大的氣體雲將會生長出許多不同大小的恆星和行星，但即使是最小的世界，第一種形式也只能由氫氣和氦氣組成。沒有任何一代恆星就沒有更重的元素形成像岩石行星或衛星那樣的固體。小的氣體球可以形成但當這些恆星點燃時，它們將會被宇宙中第一次核發射的電離輻射燃燒掉進入星際空間。

與現在的銀河系相當的星系是無數的，但銀河系的年輕星系本質上比我們今天看到的星系更小、更藍、更豐富，對於第一個星系來，這是極端的。圖片版權：NASA and ESA

TOP2、與我們今天的星系相比最早的星系很小

當宇宙中第一個中性的原子形成時它們已經聚集在一起，在一個特定大小的密度和密度過低的區域。從幾十萬到幾百萬太陽質量，這些將形成第一個星團的種子。大約在50到2億年的時間裡，引力使這些第一批氣體雲坍塌，形成了最初的恆星。當星團開始在引力的作用下融合在一起時，快速的恆星形成就會隨之發生，那時我們就可以開始說我們已經形成了宇宙的第一個星系。儘管它們可能只是銀河系質量的很小一部分，也許是我們的0.001%，事實上這些是星系本身，包含恆星，星團，行星，氣體，塵埃，甚至是暗物質暈。

這是哈勃極深場視野圖，是我們迄今為止對宇宙最深的觀測，它揭示了宇宙只有3 - 4%的時代。然而這是哈勃觀測的極限，更多的觀測時間會顯示出微弱的星系，但不是更遠的星系。圖片版權：NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

TOP3、即使哈勃望遠鏡看到遙遠的宇宙也不會看到第一個星系

這些星系發出的光應該類似於今天新恆星形成的星系發出的光。當一個星系最初形成時它應該充滿熾熱的、明亮的、短命的藍色恆星，它們支配著所有其他恆星的亮度。但與附近的星系不同，這些早期星系的光需要一個巨大的宇宙之旅——從我們的角度來看它需要超過130億年的時間到達我地球。在這段時間裡宇宙在膨脹使得最初的紫外光的波長通過可見光的紅移，穿過近紅外光譜進入光譜的中紅外部分。即使哈勃望遠鏡能將光線遠遠地看向近紅外線，它也永遠無法觀測到天空，也就無法探測到15~25的紅移星系，在那裡第一批星系將會被發現，為此我們需要詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。

在大麥哲倫星雲的狼蛛星雲中，星團RMC 136(R136)是已知的最大規模的恆星的所在地，最大的R136a1是太陽質量的250倍。圖片版權：European Southern Observatory/P. Crowther/C.J. Evans

TOP4、這些宇宙中最大規模的恆星只存在於最早時期

今天如果我們深入到一個極端的恆星形成區域，希望能找到最亮、最亮、最大規模的恆星。當地最大的行星——蜘蛛星雲(上圖)在銀河系的衛星星系中，包含了成千上萬的太陽質量的物質以及已知的最大規模的恆星:R136a1。它的質量大約是太陽質量的260倍，是迄今為止發現的最大規模的恆星。但它也承載著元素不斷上升的元素周期表，就像我們自己的太陽，它抑制了大質量恆星的初始生長。由於它們是由原始的氫和氦構成的，所以最初的恆星缺乏抑制，並且能夠生長到更大的質量。有多大？它的質量是太陽的500倍？1000倍嗎？2000倍嗎？甚至更大嗎？幸運的是詹姆斯·韋伯將太空望遠鏡未來會告訴我們答案。

在這個星系中心的暗斑上，由星系超大質量黑洞產生的強磁場所產生的電子發出的毫米波波長的光被吸收了。陰影表明在黑洞中分子氣體的冷雲正在如下雨般。這些超大質量黑洞或者至少是它們的種子應該在宇宙的第一個星系中找到。圖片版權：NASA/ESA & Hubble (blue), ALMA (red)

TOP5、第一個超大質量黑洞應該從他們出生的那一刻開始出現在第一個星系中

矛盾的是恆星越大壽命就越短，所有的大質量恆星都只存活了幾百萬年，要麼是超新星爆炸，要麼是直接塌縮，但無論哪種情況它們都會產生巨大的黑洞。這些黑洞迅速遷移到星系中心，在那裡它們融合在一起形成了物質，成為我們今天看到的超大質量黑洞的種子。這些最早的星系甚至在它們第一次出現的時候，都可能包含成千上萬甚至幾百萬倍的黑洞，就像我們的太陽一樣巨大，相當於銀河系中心的400萬太陽質量，這些物體必須在那裡，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡可能會告訴我們它們到底有多大。

宇宙的大規模結構隨著時間的推移而變化，因為微小的缺陷形成了第一個恆星和星系，然後合併形成我們今天看到的巨大的現代星系。從很遠的地方看發現了一個更年輕的宇宙，就像我們過去的地方一樣。圖片版權：Chris Blake and Sam Moorfield

這些超遙遠的，超年輕的，超微小的星系不會長久保持這種狀態，在很久以前我們今天看到的每一個附近的星系都與今天看到的第一批星系沒有什麼不同，詹姆斯·韋伯(James Webb)太空望遠鏡的發射和部署將在一年多的時間裡發現。第一種形式的引力增長最快，因此隨著時間的推移已經有138億年的歷史了，它們會吸引越來越多的物質，它們自身也可能是巨大的螺旋形或橢圓型，在它們自己的群體和集群中（就像我們一樣：室女座超星系群）。但是我們現在還沒有辦法知道銀河系的過去在任何細節上都是一樣的。畢竟宇宙最大的特點是我們只能在今天看到它，在某個特定的時刻儘管發生了整個宇宙的歷史，但在我們現在的位置上只知道我們倖存者。

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：卿君側

審校：博科園

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