在迄今為止最遙遠的星系中探測到氧氣， 開啟了天文學的新篇章

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在迄今為止最遙遠的星系中探測到氧氣，    開啟了天文學的新篇章


天文學家報告稱，位於 智利 北部 阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣列（ALMA）在極其遙遠且極其 古老的星系
JADES-GS-z14-0中 發現了 氧氣（Oxygen）的踪跡。

來自 該星系的光經過 134億年（13.4 billion years）才到達地球。

來自該星系的光始於宇宙誕生不到3億年的時期，此前人們認為這個時期太早，氧等重元素還不常見。

荷蘭 萊頓天文台（Leiden Observatory）的天文學家 Sander Schouws 領導了兩個進行測量的國際團隊之一。


JADES-GS-z14-0 中的氧氣至關重要
第一代恆星在其核心中形成了比氦更重的元素，並在劇烈的死亡中將其排出，為後來的恆星提供了金屬。

氧氣（Oxygen）是一種關鍵的示蹤物，因為它88微米的精細結構線能夠逃脫塵埃的干擾，並且在很長一段時間內
都能被偵測到。

在宇宙如此早期探測到 氧氣（Oxygen）意味著JADES-GS-z14-0內部至少存在過兩代恆星，它們在恆星內部
生存 和消亡。這壓縮了傳統的化學演化模型，這些模型認為在出現這種富集之前還需要數億年的時間。

在紅移（redshift）10處，觀測到的快速累積跡像已經浮現，但確鑿的證據仍需等待ALMA的靈敏度。


ALMA最終在遠紅外線波段提供了決定性的訊號。

ALMA 在該星系的光中捕捉到了清晰的氧氣訊號，其強度足以確定其真實存在。

這使得天文學家能夠以驚人的精確度確定其距離，將誤差範圍縮小到僅0.005% 。 此陣列在同一位置未發現塵埃連續光譜，
因此塵埃與恆星的質量比被限制在0.2%以下。

結合譜線的亮度，這些數據顯示該星系的氣態金屬豐度約為太陽的五分之一。

速度展寬顯示，電離氣體（Ionized gas）以每秒約44英里（70公里/秒）的速度移動。這意味著其動態質量接近
10億個太陽質量，並暗示已經存在一個相當大的暗物質暈。


快速星系化學
「這些意想不到的結果讓我感到驚訝，因為它們為星系演化的最初階段開闢了新的視角，」意大利 比薩（Pisa）
高等師範學院（Scuola Normale Superiore）的 斯特凡諾·卡尼亞尼（Stefano Carniani） 說道。

模型表明，該星系的金屬含量比該時期預測值高出約十倍，這對模擬提出了挑戰，使其無法將更快的恆星形成
爆發或更高效的超新星碎片混合納入考慮。

美國 NASA 詹姆斯韋伯太空望遠鏡 (JWST) 的後續觀測揭示了 7.7 微米處的過量，這與強光學氧線和氫線一致。
這支持了金屬豐度的估計。

然而，微弱的紫外線特徵表明，大約 10% 的電離光子洩漏到星系際空間，這是早期再電離的線索。

如果得到證實，這種逃逸將有助於在宇宙黎明時期形成萊曼α光穿越中性宇宙所需的電離泡。


重新思考早期宇宙時間線
經典的層級模型預測早期宇宙會從小型、缺乏金屬元素的「種子」逐漸發展壯大。

一個在宇宙大爆炸後僅 3億年 (300 million years) 就已達到化學成熟度的星系，迫使我們重新思考星系的合併率、
初始質量函數和氣體流入效率。

一種可能性是，星系頂部較重的恆星群會快速產生氧氣。

另一種可能性是，緻密、富含氣體的暈比模擬允許的更早坍塌，使物質以極快的速度在大質量恆星之間循環。

其他發光系統（例如GN-z11）的觀測也指向同一方向，但JADES-GS-z14-0將時間倒推了近 2億年 (200 million years) ，
需要更精確的理論調整。


挑戰標準模型
目前許多早期宇宙的模擬依賴於緩慢的氣體吸積、適度的恆星形成速率和緩慢的金屬富集。

這些模型預測，化學演化的系統至少要到大爆炸後 5億年 (500 million years) ，才會出現。

在JADES-GS-z14-0中發現氧氣，大大壓縮了這條時間線，幾乎沒有留下緩慢累積的空間。

這引發了一些問題：早期星係是否經歷過異常快速、大規模的恆星形成爆發，或者我們對冷卻機制、反饋過程
和暗物質相互作用的理解是否需要修正。

一些模型可能需要更新，以適應比之前假設的更低暈質量下更高效的恆星形成。


JADES-GS-z14-0 及未來
未來的  美國 NASA JWST 光譜儀旨在捕捉碳和氮譜線，而更高頻率的 ALMA 活動將搜尋微弱的塵埃發射，以確定
該星系的全部金屬和塵埃含量。

即將投入使用的極大望遠鏡 (ELE) 上的儀器應該能夠分辨出直徑僅為幾百光年的恆星形成團塊。這將使天文學家
能夠測試強大的流出物是否已經清除了中心區域。

巡天工作也將擴展；ALMA 計劃掃描數十個紅移 12 的候選恆星，以尋找氧氣，從而揭示 JADES-GS-z14-0 究竟
是一個罕見的奇蹟，還是眾多早期成就者之一。

「這展現了ALMA和JWST之間驚人的協同作用，揭示了第一批星系的形成和演化，」荷蘭 萊頓天文台
(Leiden Observatory) 的 Rychard Bouwens 補充道。

隨著每一個新數據點的出現，宇宙黎明的時間線變得更加靈活，也更加令人驚訝。宇宙似乎學會了快速成長。