今年早些时候，当一组光子撞击詹姆斯·韦伯太空望远镜几乎完美无瑕的镜子时，它们已经在太空中旅行了 134 亿年。当我们所知道和看到的一切事物的诞生在宇宙意义上仍然是最近的历史时，光线从遥远的星系发出。古代并没有真正做到公正。
韦伯的第一张深场图像——对充斥着星系的极小天空的红外记录——引发了天文学家争先恐后地寻找视野中最古老的星系。哈勃太空望远镜保持着现有的记录，记录了宇宙诞生仅 4 亿年时对一个星系的观测。韦伯更大的镜子和能够看到光谱的红外部分的能力旨在做得更好。
周五，当一组科学家（共同称为 JADES，是 Webb 的两个仪器 NIRcam 和 NIRspec 的制造者之间的合作）宣布他们已经证实了对最古老星系的观测时，望远镜证明了它的勇气。
“这是我们第一次在大爆炸后仅 3.5 亿年就发现了星系，我们对它们奇妙的距离绝对有信心，”来自加州大学圣克鲁兹分校的 Brant Robertson 说，他是 NIRCam 科学团队的成员，最近一篇关于这项工作的论文的合著者。
天文学家首先通过分析来自 Webb 的 NIRcam 仪器（一种非常灵敏的红外相机）的数据来编制候选名单。几乎就在韦伯的第一张图片公开之后，关于极其古老星系的故事就在网上火了起来。
但是，虽然 NIRcam 观测揭示了大量值得仔细观察的目标，但官方确认需要详细的光谱分析。
“距离较近的星系很有可能伪装成距离很远的星系，”来自英国赫特福德郡大学的天文学家兼合著者 Emma Curtis-Lake 说。
多亏了 NIRspec，在最近的两项研究中（此处和此处），团队能够对一系列候选星系进行光谱分析——这是确认这些极其微弱的早期星系的距离和年龄的黄金标准。虽然这两项研究都还没有经过同行评审，但这些发现可能会打破哈勃的记录。
利物浦约翰摩尔斯大学的 Renske Smit告诉BBC ，观察到的天空的狭长区域大约是“在一臂远的地方拿着一英镑硬币上的”女王眼睛的大小。在那只眼睛中有将近 100,000 个星系，每个星系都是在数十亿年前的某个时刻捕捉到的。
为了测量宇宙开端附近星系的年龄，科学家们测量了它的“红移”。随着光的传播，宇宙的膨胀拉长了它的波长，将它拉入光谱中较红的部分。一些最古老的光已经从可见光谱延伸到红外线——韦伯的专长。
最古老的星系不仅在红外线可见，而且由于星际氢的散射，它们的光谱也会在特定点被切断。表现出这种以更大的红移移动的截止点的微弱红外星系充满了候选者。然后，该团队使用 NIRspec 对其中 250 个进行了 28 小时的观察。这种详细的光谱分析包括特定的原子特征并确定了红移。
四个星系被证明异常古老，红移大于 10。其中两个星系的红移为 13，当时宇宙只有 3.3 亿年。该团队表示，这些星系很小，只有一亿个太阳质量，并且由不到一亿年的年轻恒星组成。相比之下，银河系被认为至少有 1000 亿颗恒星，而太阳的年龄约为 46 亿年。尽管它们的体积很小，但该团队表示，这些早期星系以惊人的速度产生恒星，比现代类似大小的星系快 10 倍。
Webb Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) 搜索微弱星系 NIRcam 图像（左）以搜索在其光谱中表现出特征性断裂（称为莱曼断裂）的微弱星系。 NIRspec 随后精确测量了候选星系的红移（右）。四个星系（中心）的特殊之处在于比任何光谱确认的都早。图片来源：NASA、ESA、CSA 和 STScI，M. Zamani (ESA/Webb)，L. Hustak (STScI)。科学：B. Robertson (UCSC)、S. Tacchella（剑桥）、E. Curtis-Lake（赫特福德郡）、S. Carniani（Scuola Normale Superiore）和 JADES Collaboration
这些星系现在似乎保持着光谱学确认的最古老星系的记录，但这个称号可能不会持续太久。尽管仍在等待确认，但科学家们估计韦伯已经捕获的一些星系甚至更古老，而韦伯被设计成可以看到早在大爆炸后 1 亿年的时代发出的光。
通过研究最早的恒星和星系，科学家们希望更多地了解星系的形成，并确定宇宙演化中被称为再电离的时期，当第一批恒星的强光通过从氢和氦中剥离电子来电离周围的气体。由于这四个星系中的恒星可能早在 1 亿年前就开始形成，因此第一代恒星可能最早可追溯到大爆炸后约 2.3 亿年。
“通过这些测量，我们可以知道星系的固有亮度，并计算出它们有多少颗恒星，”罗伯逊说。 “现在我们可以开始真正了解星系是如何随着时间的推移组合在一起的。”
图片来源： NASA、ESA、CSA 和 STScI