在宇宙的黑暗时代之后，是什么燃烧掉了无处不在的气体云？美国宇航局望远镜发现了惊喜
JWST揭示了来自第一批恒星和巨大黑洞的大量紫外线——这是宇宙再电离的线索
在大爆炸后的首个十亿年里，当第一批恒星和星系点亮并填充了黑暗的新光时，它们也引发了另一种转变：电离宇宙中充满的中性氢气。直到最近，天文学家还在努力解释这是如何发生的。电离氢气需要高能量的紫外线（UV）光，而稀疏、初生的星系似乎无法胜任这项任务。现在，NASA的轨道红外天文台詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）彻底颠覆了这一看法。它发现了如此多明亮的年轻星系和发光黑洞，以至于可能存在UV光的过量供应。
“我们开始称之为‘生产过剩危机’，因为宇宙中的电离光子似乎太多了，”格罗宁根大学的天体物理学家普拉蒂卡·达亚尔说。这种过量供应加剧了关于哪种UV源推动了这个“再电离时期”以及它是何时发生的争论。“关于再电离发生的时间的故事……正被JWST重写，”加州大学圣克鲁斯分校的天体物理学家布兰特·罗伯特森补充说。
在大爆炸后一个更早的时间点，即38万年后，由质子、电子和光子组成的原始汤冷却到足以让这些粒子结合形成中性氢原子。那热气体的光芒如今在天空中随处可见，作为宇宙微波背景（CMB）。随之而来的是数百万年的宇宙“黑暗时代”，直到更密集的氢气云凝聚成第一批恒星。
在今天的宇宙中，星系间的氢几乎完全被电离。关于它何时发生的证据来自CMB光子本身，这些光子被来自电离氢的自由电子散射。CMB中的模式表明，再电离的中点大约在大爆炸后700万年发生。
另一个线索来自类星体，它们是遥远星系中心的超大质量黑洞，当气体旋入这些引力深渊时会发出明亮的光芒。类星体的特定波长的光被途中的中性氢云吸收。到了宇宙大约10亿岁的时候，那些吸收线消失了，表明最后剩余的中性氢消失了。
直到大约2009年，当NASA在哈勃空间望远镜上安装了最新仪器时，天文学家才开始窥见再电离时期的第一瞥，发现了一些可以追溯到大爆炸后首个十亿年内的星系。但哈勃只能看到最亮的星系，而且它们太少且分布太稀疏，无法电离整个宇宙。是否存在一群较小但仍然未被发现的星系正在发出UV光？
JWST对这个问题的回答是肯定的。自2022年开始观测以来，它已经发现了超过1000个在大爆炸后首个十亿年内的候选星系。今年五月，罗伯特森的团队报告确认了一个在大爆炸后不到3亿年就发光的星系。“宇宙找到了一种机制，以比之前预期更快的速度增长星系，无论是在亮度还是大小上，”他说。
那些星系中的第一批恒星可能是巨人，没有较重的元素来散发热量并限制今天恒星的大小。这样热而明亮的巨人将是UV光的丰富生产者。二月份，巴黎天体物理研究所的哈基姆·阿泰克领导的一个团队报告了一项JWST调查的结果，该调查观察了八个在大爆炸后首个十亿年内的超微弱星系，它们的光被靠近地球的一个星系团的“引力透镜”增强了。这使得JWST能够将光分成光谱，揭示出这些星系发出的UV光是后来类似星系的四倍。
一个未知的问题是这些UV光有多少能逃离星系。在较近的星系中，尘埃和氢气吸收了大部分UV光，只有一小部分逃逸。但是如果这八个星系代表了JWST发现的大量星系，“足以再电离整个宇宙，”阿泰克说——即使只有一小部分逃逸。
德克萨斯大学奥斯汀分校的朱利安·穆诺兹说，这种早期的辉煌带来了一个时间问题。基于JWST发现的早期星系的丰富性以及它们UV输出和逃逸分数的估计，再电离应该开始得更早，结束得更快，而不是CMB数据和类星体数据所暗示的那样，他和他的同事在一篇最近被接受发表的论文中争辩说。“光子太多了，”“有些事情必须让步。我们的一个假设必须被打破。”
并不是每个人都相信问题这么严重。“危机，我觉得，有点言过其实，因为有一些出路，”罗伯特森说，例如对UV产生和逃逸分数的巨大不确定性。“逃逸分数是最难测量的，”阿泰克说。
一些人认为，再电离的主要驱动力不是恒星而是活跃的星系核（AGNs）——由黑洞驱动的发光星系中心，其中类星体是最亮的。与恒星相比，AGNs是更有效的UV光源，至少在后来的时间里，允许更多的光逃逸。但由于它们分布广泛且被认为形成得太晚，无法发挥主要作用，因此长期以来被忽视为再电离的引擎。
JWST也在颠覆这一观点。加州大学圣克鲁斯分校的皮耶罗·马达乌说，JWST发现了比X射线望远镜建议的在大爆炸后大约10亿年的AGNs多出100倍。“这完全是一个惊喜。”已知AGNs推动了宇宙中性氦的再电离——一个稍后完成的过程。那么为什么不是氢呢，马达乌问道。“我认为使用奥卡姆剃刀并测试一个场景很有趣，在这个场景中AGNs是宇宙氢/氦再电离过程的唯一驱动力。”
达亚尔认为真相介于两者之间。今年一月，她和她的同事们报告了一项调整了一些新的JWST数据的星系形成模型的结果。他们发现，四分之三的电离光子来自小星系，四分之一来自AGNs。“我认为原则上低质量星系是再电离的关键驱动力，”她说，但是“你可能会在最后得到黑洞的贡献。”
麻省理工学院的罗汉·奈杜说，远非解答围绕再电离的问题，JWST似乎使这个问题变得更加复杂。“看起来突然间一切都回到了讨论桌上，”他说。
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