韋伯太空望遠鏡揭露早期宇宙中的「混亂星系」難以穩定成形

由英國劍橋大學領導的天文團隊利用韋伯太空望遠鏡，捕捉到宇宙誕生後僅數億年的星系影像，揭開早期星系形成的真貌與現今穩定、旋轉的星系相比，早期宇宙中的星系顯得紊亂、動盪且破碎。

研究人員分析了超過250個距今約1.3至2百億光年的年輕星系，這些星系形成於宇宙誕生後約8億至15億年之間。透過研究星系內部氣體的運動，他們發現多數星系仍處於極為混亂的狀態，氣體被劇烈擾動、四處翻騰，遠未達到像銀河系那樣的平滑旋轉結構。

首席作者、劍橋大學卡夫利宇宙學研究所的Lola Danhaive指出：「這是我們第一次能同時觀察整個族群的年輕星系，而不只是少數個例。我們看到的差異極大，有些星系開始呈現有序的旋轉，但更多仍是一片混沌，氣體朝各方向擴散流動。」

這項研究利用了韋伯太空望遠鏡的近紅外線相機（NIRCam）光柵模式（grism mode），這是過去極少使用的一種觀測模式，可解析來自遙遠星系中電離氫氣體的微弱光譜訊號。Danhaive 為此特別編寫新的演算法，將光柵譜線資料與韋伯太空望遠鏡其它觀測影像結合，用以推算每個星系內氣體的運動方向與速度。

與過去一些研究主張早期宇宙中已出現大量結構完善的「圓盤星系」不同，這次的分析顯示真實情況更貼近理論模型。早期星系的確是高度湍流、重力不穩定且頻繁合併的系統。共同作者、劍橋大學及卡文迪許實驗室的Sandro Tacchella 博士表示：「以前的觀測樣本太少，容易產生誤導；這次我們分析上百個較低恆星質量的星系，看見更完整的整體圖像。這些星系多數仍在劇烈的氣體運動與恆星爆發中成長。」

研究團隊指出，這些觀測有助於連接宇宙演化中兩個重要時期，再電離時期（Epoch of Reionization）與所謂的「宇宙正午」（Cosmic Noon）。前者是第一批恆星與星系點亮宇宙的年代，後者則是恆星形成活動最旺盛的時期。結果顯示，星系在這段過程中逐漸由混亂的氣體雲團演化為有秩序的旋轉結構，最終形成像銀河系這樣穩定的螺旋星系。

Tacchella 強調：「這只是開始。隨著韋伯持續提供更深層的觀測資料，我們將能追蹤這些星系如何從混亂的青年期逐步成長為如今優雅的旋臂結構。」未來研究將結合冷氣體與塵埃的觀測結果，以構建更完整的星系成長模型。

總結而言，這項成果讓天文學家首次能以整體視角了解早期星系的動態行為。韋伯望遠鏡的高靈敏度與光譜解析力揭示了星系形成初期的真實面貌：宇宙在最初的十多億年裡，充滿激烈的湍流與不穩定性，而星系正是在這場「混亂的誕生」中，一步步演化成今日有序而壯麗的宇宙結構。

（內容由 ChatGPT Atlas 編寫；資料來源：University of Cambridge／Phys.org，2025年10月21日）
（圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI、B. Robertson〔加州大學聖塔克魯茲分校〕、B. Johnson〔哈佛-史密松天體物理中心〕、S. Tacchella〔劍橋大學〕、P. Cargile〔哈佛-史密松天體物理中心〕）

這項研究發表於《皇家天文學會月報（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）》，論文標題為〈The Dawn of Disks: Unveiling the Turbulent Ionized Gas Kinematics of the Galaxy Population at z∼4−6 with JWST/NIRCam Grism Spectroscopy〉。