天文學家利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）觀測到一個距大霹靂僅7億年的早期星系，其呈現出「由內而外」的成長模式。這個星系雖然規模僅為銀河系的百分之一，但在如此早期的宇宙中已表現出出乎意料的成熟。其核心恆星質量密度與當今最大的橢圓星系相差不到兩倍，然而總質量卻僅為橢圓星系的千分之一。星系就像一座城市一樣，核心區域擁有密集的「市中心」，充滿恆星，而外圍區域則像「郊區」一樣較為稀疏，但隨著時間推移，外圍的恆星形成活動正快速增加，類似城市向外擴充套件的過程。這是迄今為止觀測到宇宙最早期星系「由內而外」的成長。
星系如何隨時間演化是天體物理學的重要問題。目前認為，星系主要透過吸積氣體形成新恆星或與較小星系合併來成長。然而，早期宇宙中是否存在其他成長機制仍不明確。天文學家預期星系最初是由氣體雲塌縮而成，並可能擁有緻密核心或形成黑洞。隨著星系成長，恆星形成加速，旋轉動力促使它們形成螺旋或盤狀結構。
這次發現的星系（編號JADES-GS+53.18343-27.79097）正在快速形成恆星，核心區域密集且成熟程度出乎意料，儘管整體星系年齡非常年輕，但核心與當今巨大的橢圓星系相似。大部分的恆星形成發生在距核心較遠的區域，且外圍恆星形成活動正在迅速增加，星系規模也隨之擴充套件。根據模型，該星系外圍的恆星等物質的質量1,000萬年便會翻倍，而銀河系則需約100億年才能達到質量的翻倍。
圖說：距大霹靂僅7億年的早期星系（編號JADES-GS+53.18343-27.79097）與現今已知大型的橢圓星系比較。Credit: NASA, ESA, CSA, Sandro Tacchella, William Baker, Ovee Tulaskar
儘管理論模型早已預測過這種成長模式，但直到韋伯望遠鏡的實際觀測，才有確切證據。韋伯望遠鏡讓我們得以觀測到宇宙第一個十億年內的星系，開啟了新的研究領域。這次的觀測結果有助於天文學家解答過去理論模型中推測的問題。這就像是能夠檢查自己的作業一樣，我們現在能夠觀測以前只能在模型中預測的現象。儘管這次研究僅聚焦於一個星系，研究團隊正分析更多類似的星系資料，期望重建星系成長的完整歷史。這項研究成果已發表於《Nature Astronomy》期刊（Baker et al. 2024）。
（編譯 / 段皓元）
資料來源：University of Cambridge
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