天文学家发现韦伯数据与再电离模型相冲突
再电离是一个关键时期，第一批恒星和星系改变了周围环境的物理结构，并最终改变了整个宇宙。现有理论认为，这一时期在宇宙大爆炸后约 10 亿年结束。然而，如果使用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的观测数据来计算这一里程碑，再电离将比预期至少提前 3.5 亿年结束。这是根据《皇家天文学会月刊：快报》上发表的一篇新论文得出的结论。纵观宇宙的发展史，它经历了数次重大变化。在大爆炸后的最初 38 万年里，宇宙是一团由质子和电子组成的炽热而致密的等离子体。最终，物质冷却到足以让这些质子和电子结合并形成中性氢原子。然后，在大爆炸后约 1 亿年，第一批恒星和星系开始形成，开启了再电离时代。
最初的恒星非常巨大，而且非常热——有人预测它们的质量是太阳的 30 到 300 倍——它们以极紫外光的形式释放出大量能量。这种能量非常强烈，当它撞击附近的氢原子时，会将它们分裂成质子和电子，这一过程称为电离。数亿年后，当宇宙中几乎所有的氢都被电离时，再电离时代就结束了。
考虑到大约 75% 的物质都是氢，这代表着巨大的转变。“这是最后一次重大变化，”德克萨斯大学奥斯汀分校天文学助理教授、论文第一作者朱利安·穆尼奥斯 (Julian Muñoz) 解释道。“你从中性、寒冷和无聊变成了电离和炎热。这不是只发生在一两个星系中的事情。它发生在整个宇宙中。”
“这一过程加热并电离了宇宙中的气体，从而调节了星系的生长和演化速度，”德克萨斯大学奥斯汀分校天文学助理教授、论文合著者约翰·奇泽姆补充道。“这些早期恒星确定了宇宙中星系的整体结构。”
由于天文学家无法直接观测再电离过程，他们必须使用模型来预测再电离何时结束。这些模型基于间接证据，包括测量宇宙大爆炸余辉（称为宇宙微波背景）到达我们的光量。
另一个证据是与氢的能量变化相关的波长的早期丰度，称为莱曼-α森林。这两者都有助于天文学家计算出再电离过程中氢的转化量，以及实现这一转化所需的能量。
“这是一场会计游戏，”穆尼奥斯说。“我们知道在再电离之前，所有的氢都是中性的。从那时起，你需要足够的极紫外线来分裂每个原子。所以，最终，你可以通过计算来计算出再电离何时结束。”
现在，詹姆斯·韦伯太空望远镜正在挑战既定的模型。有了它，天文学家可以比以往任何时候都更深入地观察宇宙，深入这个关键时代。这导致了许多早期宇宙中意想不到的观测结果——其中之一就是极紫外发射星系的数量比预期的要多。“詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了明亮的星系本身就足以使宇宙电离，”奇泽姆说。“这与许多人的预期相反。”
因此，有了这些新的观测结果，解释就不再成立了。“如果你盲目地相信詹姆斯·韦伯，它会告诉你再电离在大爆炸后 5.5 亿至 6.5 亿年结束，而不是目前估计的 10 亿年，”穆尼奥斯解释道。“如果这是真的，宇宙微波背景看起来会有所不同，莱曼-阿尔法森林看起来也会有所不同。所以，存在一种矛盾。”
换句话说，再电离不太可能比预测的时间早发生数亿年。那么，到底是怎么回事呢？一种解释可能是现有模型缺少一些关键信息。例如，有时电离的质子和电子会重新结合，重新形成中性氢原子。这个过程被称为重组。如果它发生的频率比目前模型假设的要高，那么电离整个宇宙所需的极紫外光量就会增加。
“我们需要对星系进行更详细、更深入的观察，更好地了解星系的复合过程，”穆诺兹说。“解决再电离问题，是最终了解这一关键时期的关键一步。我很期待未来几年会发生什么。”
其他研究作者包括美国国家航空航天局喷气推进实验室和加州理工学院的乔丹·米罗查、加州大学洛杉矶分校的史蒂文·弗拉内托和哥本哈根大学的夏洛特·梅森。
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