詹姆斯·韦布太空望远镜探测到120亿光年外多环芳烃(PAHs)的光谱信号

在大爆炸后不到15亿年的早期宇宙中，詹姆斯·韦布太空望远镜做出了一项惊人的探测。从一个名为SPT0418-47的星系发出的光经过了超过120亿年才到达我们，天文学家从中分析出了复杂分子的光谱信号——这些是多环芳烃(PAHs)，它们构成了漂浮在恒星之间的云中的一些尘埃颗粒，吸收光线并以红外波长重新发射出来。这些尘埃表明了高速的恒星形成，这对于这个早期宇宙时期的星系来说并不意外。但是尘埃并不均匀分布，这表明这种恒星形成可以被映射到星系内的不同位置，根据德克萨斯A&M大学的天文学家贾斯汀·斯皮尔克(Justin Spilker)领导的一个团队。而能够对如此遥远的星系做出如此详细的观测，实在是令人难以置信。

“在这里，我们展示了詹姆斯·韦布太空望远镜观测到了一个在大爆炸后不到15亿年就被观测到的星系中3.3微米波长的PAH特征。PAH特征的高等效宽度表明，恒星形成而不是黑洞吸积主导了整个星系的红外辐射。”研究人员写道。“我们的观测表明，PAH分子和大尘埃颗粒的辐射差异是早期星系内局部过程的复杂结果。”

多环芳烃听起来很高深，但它们并不罕见。在地球上，它们和煤灰一样普遍。因为它们就在煤灰里。它们是一类含有碳原子环的有机化合物，可以在有机物质被压缩和加热时形成。煤含有PAHs；烟雾、烟霾和原油也含有PAHs。PAHs的来源也可以是非生物的；据我们所知，宇宙中大部分的PAHs都是非生物的。而且它们很多。先前的分析表明，在像我们这样的星系中，恒星之间所有碳元素中约有15%被锁定在PAHs中。其中大部分漂浮在恒星之间作为星际介质中的尘埃，它们被认为是恒星形成的一个相当可靠的追踪器。

我们已经在其他星系中探测到了PAHs，但是在非常遥远的星系中发现它们要困难得多。这些分子吸收光线并以红外波长重新发射出来，而以前的红外望远镜的灵敏度和覆盖范围都非常有限。然而，我们现在有了詹姆斯·韦布太空望远镜，这是有史以来最强大的太空望远镜，它在红外波长上的观测能力前所未有。

为了做出这样详细的观测，詹姆斯·韦布太空望远镜不仅仅依靠自己的能力，它还利用了物理学的一个奇特现象：引力透镜。这是一种发生在宇宙中的巨大物体周围的时空的引力弯曲。想象一下，在一个蹦床上放一个保龄球：蹦床的布料会因为质量而弯曲和拉伸。

时空也会在像星系和星系团这样的巨大物体周围做类似的事情，但是还有一个额外的好处。因为时空被弯曲和拉伸了，任何穿过它的光线也会被弯曲、放大，有时甚至会被复制。这意味着我们可以有效地利用这些透镜作为一种宇宙放大镜，增加我们望远镜的威力。

在我们和SPT0418-47之间有另一个星系，距离大约30亿光年，提供了这种透镜效果。这意味着当詹姆斯·韦布太空望远镜作为TEMPLATES早期释放科学计划的一部分对这个星系进行观测时，它能够获得足够的细节，让斯皮尔克和他的同事能够分辨出PAHs以3.3微米波长发出的光谱信号。

这是目前探测到的最遥远的复杂芳香分子，虽然还有很多我们不知道的东西——例如PAHs在星系中不均匀分布的原因是未知的——但这对于未来研究早期宇宙中星系的演化非常令人兴奋。

这项研究发表在《自然》上。

https://www.sciencealert.com/complex-molecules-detected-in-ancient-galaxy-near-the-dawn-of-time