詹姆斯·韦伯太空望远镜首次观测到早期宇宙中富碳尘埃颗粒的化学特征。鸣谢:欧空局/韦伯、美国航天局、欧空局、加空局
据剑桥大学：詹姆斯·韦伯太空望远镜首次观测到早期宇宙中富碳尘埃颗粒的化学特征。
在更近的宇宙中也观察到了类似的观察信号，并将其归因于复杂的碳基分子，即多环芳烃(PAHs)。然而，人们认为多环芳烃不可能在宇宙时间的第一个十亿年内形成。
包括剑桥大学研究人员在内的国际团队表示，韦伯可能观察到了一种不同种类的碳基分子:可能是最早的恒星或超新星产生的微小石墨或类金刚石颗粒。他们的结果表明早期宇宙中的婴儿星系比预期发展得快得多，发表在《自然》杂志上。
我们宇宙中看似空无一物的空间实际上并不空无一物，而是充满了气体和宇宙尘埃。这些尘埃由各种大小和成分的颗粒组成，它们以各种方式形成并喷射到太空中，包括超新星事件。
这种物质对宇宙的演化至关重要，因为尘埃云最终会形成新恒星和行星的诞生地。然而，这些尘埃会吸收特定波长的恒星光，使得太空中的一些区域难以观测。
有利的一面是，某些分子会持续吸收特定波长的光，或者与特定波长的光相互作用。这意味着天文学家可以通过观察宇宙尘埃阻挡的光的波长来获得关于宇宙尘埃成分的信息。
剑桥领导的天文学家团队使用这种技术，结合韦伯非凡的灵敏度，在宇宙诞生仅10亿年后就检测到了富含碳的尘埃颗粒的存在。
“富含碳的尘埃颗粒在吸收波长约为217.5纳米的紫外光方面特别有效，这是我们第一次在非常早期的星系光谱中直接观察到的，”来自剑桥大学卡维利宇宙学研究所的首席作者乔里斯·维茨托克博士说。
这种217.5纳米的特征此前在更近的局部宇宙中观察到，包括我们自己的银河系，并被归因于两种不同类型的碳基分子:多环芳烃(PAHs)或纳米尺寸的石墨颗粒。
根据大多数模型，多环芳烃形成需要几亿年时间，因此如果研究小组观察到了本不应形成的分子的化学特征，那将是令人惊讶的。然而，根据研究人员的说法，这一结果是这种富含碳的尘埃颗粒最早也是最遥远的直接签名。
答案可能在于所观察到的细节。该小组观察到的特征峰值在226.3纳米，而不是与多环芳烃和微小石墨颗粒相关的217.5纳米波长。小于10纳米的差异可以用测量误差来解释。同样，这也可能表明该团队探测到的早期宇宙尘埃混合物的成分有所不同。
“这种吸收最强的波长的轻微移动表明我们可能看到了不同的颗粒组合，例如，石墨或类金刚石颗粒，”Witstok说，他也是悉尼苏塞克斯学院的博士后研究助理。"这也有可能在短时间内由沃夫-瑞叶星或超新星爆发的物质产生."
先前的模型表明纳米钻石可以在超新星爆发的物质中形成；巨大而炽热的沃夫-瑞叶星，活得快，死得早，将会给一代又一代的恒星足够的时间来诞生、存活和死亡，在不到10亿年的时间里将富含碳的颗粒散布到周围的宇宙尘埃中。
然而，用现有的对宇宙尘埃早期形成的理解来完全解释这些结果仍然是一个挑战。这些结果将为改进模型的开发和未来的观测提供信息。
随着韦伯的出现，天文学家现在能够对在宇宙时间的第一个十亿年中看到的单个矮星系的光进行详细的观察。韦伯最终允许研究宇宙尘埃的起源及其在星系演化关键的第一阶段中的作用。
“这一发现是由韦伯提供的近红外光谱无与伦比的灵敏度改进，特别是其近红外光谱仪(NIRSpec)所实现的，”合著者罗伯特·迈奥利诺教授说，他在卡文迪什实验室和卡维利宇宙学研究所工作。“在可见光范围内，韦伯提供的灵敏度增加相当于瞬间将伽利略的37毫米望远镜升级为8米超大望远镜，这是最强大的现代光学望远镜之一。”
该小组正计划对这些数据和结果进行进一步的研究。“我们计划与模拟星系中尘埃产生和增长的理论家合作，”亚利桑那大学/天体生物学中心(CAB)的合著者Irene Shivaei说。"这将揭示早期宇宙中尘埃和重元素的起源."
这些观测是JWST高级深河外巡天计划(JADES)的一部分。这个项目帮助发现了数百个在宇宙不到6亿年时就存在的星系，包括一些迄今为止已知的最远的星系。
“在我的整个职业生涯中，我一直在研究宇宙时间的第一个十亿年中的星系，我们从来没有想到会在如此遥远的星系中发现如此清晰的宇宙尘埃信号，”来自利物浦约翰穆雷斯大学的合著者伦斯克·斯密特博士说。“来自JWST的超深数据向我们展示了由类金刚石尘埃组成的颗粒可以在最原始的系统中形成。这完全推翻了尘埃形成的模型，并开辟了一条研究最初星系化学富集的全新途径。”
