天文学家发现了来自极早期宇宙的宇宙尘埃

宇宙是一个充满尘埃的地方。宇宙粒子的大小从单个大分子到比地球上的一粒沙子稍大一点不等，它们可以积聚在数光年宽的滚滚云层中。一般的科学理解是，尘埃是逐渐堆积起来的，是由恒星和超新星在数亿年的时间里产生的。天文学家认为，尘埃通常是成熟星系的固定物。

但周三发表在《自然》杂志上的一篇新论文中，天文学家在宇宙大爆炸后仅 8 亿年的年轻遥远星系中发现了一种富含碳的特殊宇宙尘埃。这种积累发生的时间比目前尘埃形成理论所认为的要早得多。这一发现可能会改变天文学家对早期宇宙中恒星的形成和星系演化的理解，并最终改变那个年轻的宇宙如何成长为我们今天所知的宇宙。

长期以来，天文学家对待宇宙物质就像我们对待沙发下的灰尘一样：是一种麻烦。科学家们试图透过巨大的宇宙尘埃云来观察，他们更像是障碍，而不是研究对象。“大多数天文学家与它互动的方式是，[尘埃]实际上吸收了我们试图观察的大量光线，”这项研究的主要作者、英国剑桥大学卡夫利宇宙学研究所的博士后研究员 Joris Witstok 说。

但近年来，由于美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜等天文台的出现，情况发生了变化，这些望远镜利用红外光透过云层观测。科学家们也开始重视尘埃本身，意识到这些微小的碳、硅和其他物质颗粒是宇宙中大规模过程的起因，比如新恒星的形成。

“例如，在银河系中，我们发现这些地方正在形成新的恒星，而且那里尘埃密布，”维斯托克说。“那里有大量的气体和尘埃云，尘埃确实有助于气体冷却和收缩，从而形成新的恒星。”

[相关：每年有 5,000 吨古代“外星尘埃”降落到地球上]

早期宇宙并非没有尘埃。维斯托克表示，此前的研究发现，早期宇宙的星系中存在大量尘埃。天文学家之所以对这种早期尘埃感兴趣，是因为它代表着恒星开始产生一些比氢重的第一批元素的时期。

“第一批恒星开始将氢转化为氦，而氦是宇宙诞生之初唯一存在的物质，然后又转化为碳、氧等较重的元素，”维斯托克说。

大型原始恒星可能在其生命周期的末期或在其死亡时的超新星爆炸期间喷出由这些较重元素组成的大量尘埃。

但之前的研究未能在如此早期就探测到碳质尘埃（即富含碳的物质）。

“这里真正新的发现是，我们能够精确地确定我们看到的尘埃颗粒的类型，”维斯托克说。“我们实际上能够确定的是，有某种东西在很短的时间内产生了这些碳尘埃颗粒。这就是令人惊讶的地方。”

对银河系内靠近地球的尘埃进行光谱观测使得这一发现成为可能。光谱学将光分解成光谱，并寻找与不同元素和化合物相关的特定波长的吸收光的迹象——有点像阅读独特的彩虹。

碳质尘埃在波长为 217.5 纳米处产生光谱“凸起”，该波长将其置于光谱的紫外线部分。至少，这是数十亿年前它离开母星系时的光的波长。

“由于它已经运行了大约 130 亿年，而宇宙在膨胀，光线也确实会随着膨胀而拉伸，”Witstok 说道，这种现象被称为红移。紫外线被拉伸得更长，因此波长（约 1.5 到 2 微米）现在处于红外线中，而 JWST 正是通过微调来测量这一光谱部分。

“这正是我们以前无法做到这一点的原因，”维斯托克说。“因为有了詹姆斯·韦伯太空望远镜，我们现在首次能够在红外线下观察并进行这些非常精确的测量。”

[相关：物理学家找到了在地球上制造钛星尘的配方]

现在，研究人员已经测量了宇宙中比预期更早时期的碳质尘埃，他们正在努力弄清楚是什么过程产生了它。维斯托克说，目前有两种理论，但都不完美。

第一个假设是早期星系中的超新星会形成尘埃，垂死恒星在它们最后的炽热死亡前会排出这些物质。但他说，问题在于超新星释放的剧烈力量也可能摧毁大部分尘埃。

尘埃的另一个来源可能是沃尔夫-拉叶星，这种恒星质量巨大、温度高、燃烧速度快，可以在不到一百万年的时间内将其大部分质量排放到太空中。“但问题又来了，它们到底能产生多少尘埃？”维斯托克说。“这足以解释我们在早期宇宙中看到的东西吗？”

维斯托克和他的同事希望通过计算机模拟来回答这些问题。理论家可以尝试调整超新星和沃尔夫-拉叶星的模型，以找到产生詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到的碳质尘埃的条件。

他说，对早期星系的进一步观察也可能找到答案。“例如，我们可以开始研究这些星系中是否存在异常数量的沃尔夫-拉叶星的迹象。”

无论是什么驱动了早期宇宙中碳质尘埃的形成，都可能为理解较近宇宙中的星系如何演化以及恒星和行星如何形成提供线索。“尘埃是星系演化的关键组成部分，”维斯托克说。“我们现在开始看到越来越多的证据表明它在很早的时候就形成了，这告诉我们，这种演化可能比我们之前想象的要快。然后，这将产生连锁反应，影响我们如何走到现在。”