目睹一个星系的组装！

我们的银河系大约形成于135亿年前，但我们无法回到过去亲眼目睹它是如何形成的。尽管对银河系中古老恒星的观测以及模拟提供了一些线索，但这无法让天文学家直接看到它形成之初的景象。因此，天文学家需要通过研究与银河系相似的其他星系来探究银河系的起源。

在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个国际研究团队利用韦布空间望远镜（JWST）探测到了一个遥远的星系，他们发现这个星系的质量与早期宇宙形成后不久的银河系的预期质量相当，为理解银河系的起源提供了新的线索。

  被引力透镜放大的遥远星系 

当天文学家观测遥远的星系时，看到的是星系在很久很久以前发出的光。随着光在宇宙中传播，其波长会随着空间的膨胀而被拉长，使光看起来比最初发射时更红，这一现象被称为宇宙红移。光的波长变化（红移）告诉我们光在宇宙中传播了多远，同时反映了光发射时宇宙的年龄。

在新的研究中，研究人员利用JWST观测到了一个遥远的星系，并测得其红移为8.296，这意味着该星系形成于宇宙诞生后的6亿年以内。他们将这个星系称为“萤火之光”（Firefly Sparkle）。

“萤火之光”和附近的两个伴星系。（图/NASA, ESA, CSA, STScI, Chris Willott (National Research Council Canada), Lamiya Mowla (Wellesley College), Kartheik Iyer (Columbia University)）

事实上，JWST已经观测了许多红移不低于8的星系。但由于遥远的距离会使光变得微弱，因此通常只能观测到其中最亮的星系，而这些星系的结构也往往难以确定。

然而，这一次，JWST成功捕捉到了“萤火之光”星系的诸多细节。这一突破不仅归功于JWST在红外波段的高分辨率，还得益于一种被称为引力透镜的自然现象。

当遥远天体发出的光在宇宙中传播时，如果光经过了一个大质量天体（比如星系团），光的路径就会发生弯曲。如果星系团恰好位于地球和遥远天体之间，那么这个星系团就会像透镜一样，将光线偏转并聚焦，从而放大遥远天体。这就是引力透镜效应。

引力透镜效应：遥远星系发出的光在经过地球与星系之间的大质量星系团时，由于星系团的强大引力会扭曲时空，所以光的路径也会发生弯曲。（图/L. Hustak, STScI）

研究人员发现，在“萤火之光”与地球之间就存在了一个巨大的星系团，扮演着“宇宙放大镜”的角色。引力透镜效应使“萤火之光”发出的光线被扭曲和放大，让天文学家得以观测到这个遥远星系的一些微小且微弱的特征。如果没有引力透镜，这些细节几乎不可能被探测到，因为遥远星系发出的光通常非常暗淡。

  闪烁的星团 

在JWST所拍摄到的图像中，最先吸引研究人员的注意的是多个闪烁着不同颜色的光的星团。这种闪烁通常代表着极度成团块的、复杂的天体。“萤火之光”这一昵称正是由此而来，因为这些星团发出的光芒，宛如夏夜中飞舞的萤火虫。

“萤火之光”中的10个星团。（图/Mowla et al./Nature）

在引力透镜效应的作用下，“萤火之光”被扭曲成一条长长的弧状结构，因此研究人员很轻易地就从中识别出10个不同的星团。这些星团贡献了该星系大部分的光芒，研究团队对每个星团都进行了深入分析。

光谱数据显示，这些星团中存在高温气体的迹象——这是恒星形成区域中不常见的现象，表明有强大的能量源正在向气体注入能量。基于这些观测结果，研究人员推测，“萤火之光”在发射这些光芒时，正处于大规模恒星形成的活跃期，且诞生的大质量恒星数量远超传统模型的预测。这一发现暗示这些恒星可能形成于极端的环境中，为理解银河系的形成过程以及早期宇宙中恒星形成的物理机制提供了线索。

  去除引力透镜效应的星系 

此外，研究人员还模拟了“萤火之光”在没有被引力透镜效应拉伸和扭曲的情况下的外观，发现它看起来像是一个被拉长的雨滴——有两个星团位于在“雨滴”的顶部，八个星团则分布在底部。

萤火之光星系外观的艺术构想图，图中描绘的是如果它没有被引力透镜效应拉伸和扭曲时的样子。（图/NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI). Science: Lamiya Mowla (Wellesley College), Guillaume Desprez (Saint Mary's University)）

模拟结果显示，正在积极形成的恒星团，被来自其他的还无法辨析的恒星的漫射光所包围。如此看来，这个星系正处于“组装”阶段。另外，从这个星系的形状来看，它的恒星还没有在中央形成凸起，亦或是形成一个薄而扁平的圆盘——这些特征都表明，这个星系仍在形成过程中。

JWST的数据显示，“萤火之光”是一个低质量星系，它需要数十亿年的时间才能形成其完整的质量和形状。目前，JWST探测到的大多数其他星系都没有被放大或拉伸，因此天文学家无法单个分辨出它们的“构成部分”。但“萤火之光”的存在，让天文学家得以目睹一个星系正在“一砖一瓦”地组装起来的过程。

  闪耀的伴星系  

与此同时，研究人员还发现，在“萤火之光”的附近，有两个与之有着相同红移的邻近星系。其中一个距离“萤火之光”只有6500光年，而另一个则相距4.2万光年。

在星系尺度下，这个距离并不算太遥远。相比之下，完全形成后的银河系大约宽10万光——足以容纳“萤火之光”及其两个伴星系。研究人员认为，这两个伴星系不仅离得很近，而且它们可能正在相互绕行。

研究人员表示，虽然他们无法预测这个“尚未完成组装”的星系将如何在数十亿年的时间里演化和成形，但他们认为，这对伴星系很可能会在未来数十亿年内影响“萤火之光”的质量形成。

每当一个星系经过另一个星系时，气体就会冷却、凝结，进而促使新的恒星团块形成，最终增加星系的质量。长期以来，天文学家一直推测，早期宇宙中的星系是通过与其他较小星系的连续相互作用和并合而形成的。现在，通过观测“萤火之光”，天文学家可能正在亲眼目睹这一过程的发生。