韦布望远镜神秘星系发光之谜或被破解

艺术家绘制的插图，展示早期宇宙中恒星形成区域周围气体被清除的情景。图片来源：MattTwombly为Simons基金会提供

计算表明，年轻恒星发出的强烈紫外线辐射可能将早期星系中的气体驱逐出去，同时保留密集的恒星形成区域，这为它们神秘的亮度提供了线索。

詹姆斯韦布太空望远镜揭示了早期宇宙中一个意想不到的现象：大爆炸后几亿年时，明亮的星系比天文学家认为的更为常见。一项新分析表明，这些星系未必在产生比预期更多的光，而是年轻恒星释放的强烈紫外线辐射可能清除气体和尘埃，使更多光线能够到达我们这里。

纽约市西蒙斯基金会弗拉特里特研究所和德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员通过研究这种被称为莱曼阿尔法辐射的紫外线如何与年轻恒星周围的物质相互作用，探讨了这一可能性。他们的研究结果近期发表于《天体物理学杂志》，表明这种辐射能够将气体和尘埃驱逐出星系中较为稀疏的区域，这或许能解释为何一些最早期的星系显得异常明亮。

我们的研究结果表明，莱曼α辐射可以将低密度气体和尘埃以非常快的速度推离，Flatiron研究所计算天体物理中心的研究员ShyamMenon（该研究的首席作者）表示。它可以在某种程度上清除‘雾’，使我们能够更清晰地看到早期宇宙中的恒星，而不仅仅是我们原本所能看到的。

氢使紫外线异常强大

莱曼α辐射是在电子与氢原子碰撞或结合氢离子时形成的，并且在年轻恒星形成区域尤为常见。当这种光遇到气体或尘埃时，会将动量传递给物质，产生压力，从而将物质向外推。

莱曼α辐射之所以特别强大，是因为氢原子对它的反应。通常被吸收的光会以不同波长重新释放，但氢原子几乎会立即以相同波长重新发射莱曼α辐射，使附近的原子能够反复吸收并释放这种辐射。这些反复的相互作用会增强光的作用力，可能将周围物质推离恒星形成区域。

一张解释辐射如何推动光阻气体和气流的信息图。来源：LucyReadingIkkandaSimonsFoundation

天文学家长期以来怀疑这种压力可能会重塑恒星诞生地，通过移除形成恒星所需的气体，甚至在极端情况下可能完全阻止这一过程。然而，辐射与氢气之间反复的相互作用难以在计算机模拟中再现，使得确定辐射实际影响的程度变得困难。

我们早就知道Lymanalpha辐射可能很重要，因为它携带大量能量，Menon说。但一直以来我们始终无法在现实环境中评估其重要性，因为建模过程非常具有挑战性。

为了解决这个问题，Menon与德克萨斯大学达拉斯分校的合作者AaronSmith分析了现有模拟中恒星形成区域的快照。他们没有追踪光与物质之间的每一次相互作用，而是计算了莱曼α辐射对周围气体和尘埃施加的压力。

他们的计算表明，辐射的行为会根据周围物质的密度有所不同。在密集的恒星形成区域，引力依然足够强大，能够将气体和尘埃固定在原位，这表明莱曼α辐射对那里的恒星形成影响较小。然而，在恒星之间较为稀疏的区域，辐射则能够克服引力，以高速将物质推出去。

多个视角展示了一个持续250万年的模拟过程，描绘了气体云被清除以及恒星形成的情景。从左到右，视图分别展示了气体密度、电离程度和温度。来源：ShyamMenon（Flatiron研究所）和AaronSmith（UT达拉斯）

当密度低到一定程度时，莱曼α辐射可以将气体加速到极高的速度，形成爆炸性的风，将物质吹出星系，Menon说。

这些风可能有助于解释詹姆斯韦布空间望远镜检测到的意外明亮星系。通过移除恒星之间的松散分布气体和尘埃，辐射可能为星光逃逸创造更清晰的路径，使遥远星系看起来更明亮，而无需它们产生异常大量的光。

三维模拟仍是一项挑战

重要问题依然存在，特别是关于早期宇宙中尘埃的性质以及辐射如何与形成恒星的运动气体相互作用。研究人员需要更全面的模拟，以综合考虑这些过程，从而更好地理解它们对早期星系的影响。

斯德哥尔摩大学的OlofNebrin及研究合著者Smith近期的研究表明，这些互动可以用二维模型进行模拟，尽管更真实的三维模拟仍是一个挑战。

但希望是，在未来几年，随着计算能力的提升和更有效算法的发展，我们最终能够在三维空间进行这些模拟。

参考文献：星系形成与风在宇宙黎明时期的启示由ShyamH.Menon和AaronSmith撰写，发表于2023年11月4日，《天体物理学杂志》。DOI10.384715384357aeaed6

本研究部分由美国国家科学基金会（NSF）PHY2309135项目资助，资助方为凯洛格理论物理研究所（KITP）

相关知识（天文术语）

神秘明亮星系是宇宙中异常璀璨的星系，通常因内部恒星形成活动剧烈或存在巨大黑洞而发光。这类星系在观测中常呈现高亮度和特殊光谱特征，成为天文学家研究星系演化、能量机制及宇宙大尺度结构的重要对象。其形成与演化过程涉及复杂物理机制，持续推动人类对宇宙奥秘的探索。

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自： https://scitechdaily.com/james-webbs-mysteriously-bright-galaxies-may-finally-have-an-explanation/

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