在2024年5月24日的《科學(xué)》雜志上，有一篇文章探討了在宇宙早期星系中中性原子氫的豐度及其對星系形成的影響。研究團(tuán)隊(duì)利用詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡JWST的近紅外光譜數(shù)據(jù)，分析了紅移在8以上的12個星系。通過光譜分析，研究者發(fā)現(xiàn)其中三個星系表現(xiàn)出強(qiáng)烈的阻尼萊曼α吸收，這個特征表明這些星系周圍存在大量的中性原子氫。

這三個星系分別位于紅移8.8、10.2和11.4，對應(yīng)于大爆炸后約4億至6億年，那時宇宙處于138億年總壽命的前3%-4%時期，可以說是很早了。它們的中性氫柱密度達(dá)到了10^22 cm^-2，比完全中性的星系際介質(zhì)高出一個數(shù)量級。這表明這些年輕的星系中存在豐富的氣體，且這些氣體是星系形成的原材料。

文章還探討了這些星系的光譜特征，測量了它們的紅移和氧豐度，確認(rèn)了這些星系的星形成速率在1到15個太陽質(zhì)量每年之間。通過模型擬合，研究者確定了這些星系中的中性氫主要來自星系內(nèi)部或其近鄰區(qū)域，而非來自星系際介質(zhì)。

研究結(jié)果表明，早期宇宙中的星系周圍存在大量的中性氫，這些氫氣體對電離光子具有高度遮蔽作用，從而影響了星系的電離輻射逃逸率。這一發(fā)現(xiàn)對于理解早期宇宙的星系形成和大規(guī)模電離過程具有重要意義。

我們知道，宇宙的形成和演化是一個宏大而復(fù)雜的過程，始于大約138億年前的一次稱為大爆炸的過程。大爆炸理論認(rèn)為，宇宙從一個極端高溫、高密度的狀態(tài)迅速膨脹，隨后逐漸冷卻并形成了我們今天所見的宇宙結(jié)構(gòu)。在大爆炸后的最初幾分鐘內(nèi)，基本粒子如質(zhì)子、中子和電子開始形成，隨后這些粒子結(jié)合形成最輕的元素，如氫和氦。

隨著宇宙的繼續(xù)膨脹和冷卻，重力作用開始使物質(zhì)聚集，形成了最早的星系和恒星。這些早期的恒星通過核聚變反應(yīng)合成了更重的元素，并在其生命末期通過超新星爆發(fā)將這些元素散布到周圍的空間。這些重元素成為了后續(xù)恒星和行星形成的基礎(chǔ)。

星系的形成和演化是宇宙演化的一個關(guān)鍵方面。星系通過引力作用不斷吸積周圍的氣體和塵埃，并通過恒星形成和星系合并等過程不斷演化。星系中的恒星形成活動和超新星爆發(fā)不僅影響了星系內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)，還對星系際介質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。恒星形成過程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈輻射和超新星爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊波可以加熱和電離星系際介質(zhì)，甚至將部分氣體驅(qū)逐出星系。

此外，暗物質(zhì)和暗能量在宇宙的形成和演化中也扮演了重要角色。暗物質(zhì)通過其引力作用促進(jìn)了物質(zhì)的聚集，幫助形成了星系和星系團(tuán)。而暗能量則驅(qū)動著宇宙的加速膨脹，影響了宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)和演化。

總體而言，宇宙的形成和演化是一個從簡單到復(fù)雜、從均勻到結(jié)構(gòu)化的過程。通過對星系、恒星和星系際介質(zhì)的研究，科學(xué)家們不斷揭示出宇宙演化的細(xì)節(jié)�，F(xiàn)代天文學(xué)和宇宙學(xué)的許多研究都集中在理解這些演化過程及其背后的物理機(jī)制，以解答我們對宇宙起源和命運(yùn)的終極疑問。

這次直接“看見”星系形成的發(fā)現(xiàn)具有重大意義，直接“看見”星系的形成不僅驗(yàn)證了理論模型，豐富了對宇宙早期結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，還推動了天文學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并為未來的研究指明了方向。這一發(fā)現(xiàn)對科學(xué)界理解宇宙的起源和演化具有深遠(yuǎn)影響。

通過直接觀測到早期星系的形成，我們可以更好地理解宇宙大爆炸后的早期歷史。研究早期星系的化學(xué)成分和恒星形成過程，可以幫助我們了解生命形成的條件。生命所需的元素（如碳、氮、氧等）在早期恒星中形成，并通過超新星爆發(fā)散布到星系中。了解這些過程有助于回答我們?nèi)绾螐臒o生命的宇宙演化出生命。對于許多人來說，了解宇宙的起源和演化不僅是一個科學(xué)問題，也是一個哲學(xué)和存在意義的問題。通過探索宇宙的起源和我們自身的起源，我們在試圖回答關(guān)于我們存在的更深層次問題：我們從哪里來，我們?yōu)槭裁创嬖�，我們的未來將如何。這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)為這些哲學(xué)思考提供了重要的背景和基礎(chǔ)。

作者：中國科學(xué)院國家天文臺研究員茍利軍 

審核：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員孫志斌 

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