美国国家航空航天局（NASA）詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）的数据显示，在被称为潘多拉星系团（Abell 2744）的太空区域发现了迄今观测到的第二和第四遥远的星系。宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一个国际研究小组对该区域的深场图像（见下图）进行了跟进，利用 JWST 提供的新光谱数据--有关整个电磁频谱发出的光的信息--确认了这些古老星系的距离，并推断了它们的性质。

詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）的近红外照相机（NIRCam）确认了有史以来第二远和第四远的星系（UNCOVER z-13和UNCOVER z-12）。这些星系位于潘多拉星团（Abell 2744）中，这里显示的是已转换成可见光颜色的近红外线波长的光。主星团图像的比例尺以弧秒（arcseconds）为单位，弧秒是天空中角距的量度单位。黑白图片上的圆圈显示的是 JWST 星载 NIRCam-F277W 滤波波段中的星系，表示孔径大小为 0.32 弧秒。图片来源：星团图像： NASA, UNCOVER (Bezanson et al.,196世界之最 DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) Insets： NASA, UNCOVER (Wang et al., 2023) 合成： Dani Zemba/宾夕法尼亚州立大学

这些星系距离我们将近330亿光年，它们的距离之遥远令人难以置信，让我们可以深入了解最早的星系可能是如何形成的。

独特的外观和意义

研究人员说，在这个距离上确认的其他星系在图像中显示为红色圆点，而新星系则不同，它们的体积更大，看起来像一颗花生和一个蓬松的球。描述这些星系的论文今天（11 月 13 日）发表在《天体物理学杂志通讯》（Astrophysical Journal Letters）上。

据天文学家估计，在这张来自美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的潘多拉星团深场图像中，代表了5万个近红外光源。它们的光线经过不同的距离到达望远镜的探测器，在一张图像中代表了浩瀚的太空。图片来源：科学： NASA, ESA, CSA, Ivo Labbe (Swinburne), Rachel Bezanson (University of Pittsburgh), Image Processing： 阿丽莎-帕根（STScI）

第一作者、宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院博士后学者、负责这项研究的JWST UNCOVER（再电离纪元之前的超深近红外探测器和近红外成像仪观测）团队成员王冰洁说："我们对早期宇宙知之甚少，只有通过这些非常遥远的星系才能了解那个时代，并196世界之最检验我们关于早期星系形成和成长的理论。在我们进行分析之前，我们只知道有三个星系被确认在这个极端距离附近。对这些新星系及其特性的研究揭示了早期宇宙中星系的多样性，以及从它们身上可以学到多少东西"。

洞察早期宇宙

由于这些星系的光线需要经过漫长的旅行才能到达地球，因此它为我们提供了一个了解过去的窗口。据研究小组估计，JWST 探测到的光线是这两个星系在宇宙大约 3.3 亿岁时发出的，经过大约 134 亿光年的旅行才到达 196世界之最JWST。但研究人员说，由于这段时间宇宙的膨胀，这两个星系目前距离地球接近 330 亿光年。

宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学助理教授、UNCOVER 小组成员乔尔-莱亚（Joel Leja）说："这些星系发出的光非常古老，大约是地球年龄的三倍。这些早期星系就像灯塔，它们的光线穿过构成早期宇宙的稀薄氢气。只有通过它们的光，我们才能开始了解在宇宙黎明附近支配星系的奇异物理学。"

科学家们利用詹姆斯-韦伯太空望远镜在潘多拉星系团中发现了两个遥远的星系，为我们了解早期宇宙提供了新的视角。这些星系在大小和外观上都很独特，挑战了我们对宇宙萌芽期星系形成的理解。资料来源：美国国家航空航天局

值得注意的是，这两个星系比之前位于这些极端距离的三个星系要大得多。其中一个直径约为 2000 光年，至少大六倍。相比之下，银河系的直径约为10万光年，但是王说，早期宇宙被认为是非常压缩的，因此银河系如此之大令人惊讶。："以前在这些距离上发现的星系都是点源--它们在我们的图像中显示为一个点。但我们的一个星系看起来是拉长的，几乎像花生，而另一个星系看起来像一个蓬松的球。目前还不清楚这种大小差异是由于恒星是如何形成的，还是形成后发生了什么，但星系性质的多样性确实很有趣。这些早期星系预计是由相似的物质形成的，但它们已经显示出彼此迥异的迹象"。

研究方法

这两个星系是潘多拉星系团的 6 万个光源之一，是 JWST 在 2022 年（即其科学运行的第一年）拍摄的首批深场图像之一中探测到的。之所以选择这一空间区域，部分原因是它位于几个星系团的后面，这些星系团会产生一种叫做引力透镜的自然放大效应。星系团的总质量所产生的引力会扭曲周围的空间，从而聚焦和放大经过附近的光线，并提供星系团背后的放大视图。

在短短几个月的时间里，UNCOVER 团队就将 6http://www.196nk.cn0000 个光源缩小到 700 个候选星系供后续研究，他们认为其中 8 个可能是第一批星系。然后，JWST 再次对准潘多拉星团，记录候选星系的光谱--一种详细记录每个波长发出的光量的指纹。

"几个不同的团队正在使用不同的方法来寻找这些古老的星系，每个方法都有自己的长处和短处，"Leja 说。"事实上，我们正对着太空中这个巨大的放大镜，这为我们提供了一个令人难以置信的深度窗口，但这个窗口非常小，所以我们在掷骰子。有几个候选天体都没有结论，至少有一个是认错了--它是一个模仿遥远星系的更近的东西。但我们很幸运，有两个竟然是这些古老的星系。这太不可思议了。"

性质和影响

研究人员还使用了详细的模型来推断这些早期星系在发出 JWST 检测到的光线时的性质。正如研究人员所预期的那样，这两个星系很年轻，它们的成分中几乎没有金属，而且正在快速生长，并积极地形成恒星。

"最早的元素是在早期恒星的内核中通过聚变过程形成的，"Leja 说。"这些早期星系没有金属等重元素是有道理的，因为它们是制造这些重元素的第一批工厂。当然，它们必须是年轻的恒星形成星系，才能成为第一批星系，但证实这些特性是对我们模型的重要基本检验，有助于证实大爆炸理论的整个范式。"

研究人员指出，除了引力透镜，JWST 强大的红外仪器应该能够探测到更远距离的星系，如果它们存在的话。

"我们在这个区域只有一个很小的窗口，我们没有观测到这两个星系以外的任何东西，尽管JWST有这个能力。这可能意味着星系在此之前并没有形成，我们不会发现更远的星系。也可能意味着我们的小窗口不够幸运。"

这项工作是向美国国家航空航天局（NASA）提交的一份成功提案的成果，196世界之最该提案建议如何在JWST科学运行的第一年使用它。在前三个提交周期中，NASA收到的提案数量是望远镜可用观测时间的四到十倍，只能选择其中的一小部分。

"当我们的建议被采纳时，我们的团队感到非常兴奋，也有些惊讶，"Leja 说。"它涉及到协调、快速的人工操作，以及望远镜两次指向同一物体，这对第一年使用的望远镜来说要求很高。压力很大，因为我们只有几个月的时间来确定需要跟进的天体。但 JWST 就是为寻找这些第一批星系而建造的，现在能做到这一点实在是太令人兴奋了"。