韦伯太空望远镜探测到宇宙最遥远的复杂有机分子

研究人员在距离地球超过 120 亿光年的星系中检测到了复杂的有机分子——这是目前已知存在这些分子的最遥远的星系。得益于最近发射的詹姆斯韦伯太空望远镜的能力和研究团队的仔细分析，一项新研究为早期宇宙中第一批星系中发生的复杂化学相互作用提供了重要的见解。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校天文学和物理学教授Joaquin Vieira和研究生 Kedar Phadke 与德克萨斯 A&M 大学的研究人员和一个国际科学家团队合作，以区分由银河系中一些质量更大和更大的尘埃颗粒产生的红外信号和那些新观察到的碳氢化合物分子。

研究结果发表在《自然》杂志上。

“当我在研究生院研究被尘埃遮挡的难以探测的非常遥远的星系时，这个项目就开始了，”维埃拉说。“尘埃颗粒吸收并重新发射了宇宙中大约一半的恒星辐射，使得来自遥远物体的红外光极其微弱或无法通过地面望远镜检测到。”

在这项新研究中，JWST 得到了研究人员所谓的“大自然的放大镜”——一种称为引力透镜的现象的推动。“当从地球的角度来看，两个星系几乎完全对齐时，就会发生这种放大，并且来自背景星系的光被前景星系扭曲并放大成环状，称为爱因斯坦环，”维埃拉说。

该团队将 JWST 聚焦在 SPT0418-47——一个使用国家科学基金会的南极望远镜发现的物体，之前被确定为一个被尘埃遮挡的星系，通过引力透镜放大了大约 30 到 35 倍。研究人员说，SPT0418-47 距离地球 120 亿光年，对应的宇宙年龄不到 15 亿年，也就是目前年龄的 10% 左右。

“在获得引力透镜和 JWST 的综合能力之前，我们既无法看到也无法通过所有尘埃在空间上解析实际的背景星系，”维埃拉说。

来自 JWST 的光谱数据表明，SPT0418-47 中被遮挡的星际气体富含重元素，这表明几代恒星已经存在并死亡。研究人员检测到的特定化合物是一种称为多环芳烃或 PAH 的分子。在地球上，这些分子可以在内燃机或森林火灾产生的废气中找到。研究人员说，这些有机分子由碳链组成，被认为是最早生命形式的基本组成部分。

“这项研究现在告诉我们——我们仍在学习——我们可以看到这些较小尘埃颗粒所在的所有区域——在 JWST 之前我们永远看不到的区域，”Phadke 说。“新的光谱数据让我们能够观察星系的原子和分子组成，为星系的形成、它们的生命周期以及它们如何演化提供非常重要的见解。”

“我们没想到会这样，”维埃拉说。“在如此遥远的距离检测这些复杂的有机分子对于未来的观察来说是改变游戏规则的。这项工作只是第一步，我们现在才刚刚开始学习如何使用它并学习它的功能。我们很高兴看到结果如何。”

“我在撰写论文时发现的星系有一天会被 JWST 观测到，这真是太酷了，”维埃拉说。“我感谢纳税人、NSF 和 NASA 为 SPT 和 JWST 提供资金和支持。没有这些仪器，就不可能有这个发现。”

维埃拉还是天体物理调查中心的主任，该中心由伊利诺伊州国家超级计算应用中心资助。Phadke 是 CAPS 研究生。

太空望远镜科学研究所根据 NASA 合同 NAS 5-03127，在天文学研究大学协会的管理下运营 JWST。