解码130亿年前的星光：韦伯望远镜如何通过光谱改写宇宙演化史？

当詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）捕捉到编号为GLASS-z12星系的光谱信号时，天文学家们沸腾了——这束穿越134亿光年的光线，不仅将人类观测极限推至宇宙大爆炸后3.5亿年，更通过精细的光谱分析，揭示了早期星系的化学组成与恒星形成奥秘。韦伯望远镜观测早期星系光谱的核心价值，在于它为我们打开了一扇“宇宙时光机”，通过解析星光中的化学指纹，还原宇宙婴儿期的真实面貌。见闻网结合最新发表在《自然·天文学》的研究成果，深度解析韦伯望远镜如何通过光谱技术改写人类对宇宙起源的认知。

一、光谱解析原理：星光中的宇宙“化学指纹”

韦伯望远镜观测早期星系光谱的关键在于其搭载的近红外光谱仪（NIRSpec），它能将星系发出的复合光分解为不同波长的单色光，形成类似“宇宙条形码”的光谱图。这些光谱中暗线（吸收线）和亮线（发射线）的位置与强度，包含着三大核心信息：

• 红移值测算：根据多普勒效应，星系光谱线向长波方向偏移的程度（红移z值）可计算距离。GLASS-z12星系的红移z=12.5，对应宇宙年龄仅3.5亿年，是目前确认的最遥远星系之一
• 化学组成分析：氢（Hα线）、氦（HeⅡ线）等元素的特征谱线强度，可反推星系内重元素丰度。韦伯观测发现，早期星系中氧元素含量仅为太阳的1/10，证实了“第一代恒星合成重元素”的理论
• 恒星形成速率：通过[OⅢ]λ5007等发射线的强度，可计算星系内恒星形成速率。例如，编号为JADES-GS-z7-01-QU的早期星系，恒星形成速率达每年100倍太阳质量，是银河系的50倍

见闻网从剑桥大学天文研究所获悉，韦伯望远镜的光谱分辨率达R=1000（波长精度0.1nm），足以区分不同元素的细微谱线差异，这是哈勃望远镜的10倍。

二、技术突破：韦伯如何穿透130亿光年的宇宙迷雾？

要实现韦伯望远镜观测早期星系光谱的高精度测量，需要突破三大技术瓶颈：

• 红外探测灵敏度：早期星系的光线因宇宙膨胀被红移至红外波段（1-5微米），韦伯的NIRSpec仪器在2.5微米波长处的探测灵敏度达10^-20 W/m²/μm，相当于在地球上能检测到月球上一根蜡烛的光
• 光谱仪稳定性：韦伯通过微机电系统（MEMS）控制的微型快门阵列，可同时观测100个星系目标，光谱采集时间从哈勃的数天缩短至数小时。其温控系统将仪器温度稳定在-266℃，确保光谱基线漂移小于0.01nm
• 引力透镜辅助：利用前景星系团的引力透镜效应（如Abell 2744星系团），可将背景星系的亮度放大10-50倍。韦伯通过这种“宇宙放大镜”，成功观测到本应低于探测极限的高红移星系光谱

对比哈勃望远镜，韦伯在红外波段的集光面积是前者的6倍，光谱探测效率提升30倍，这使得韦伯望远镜观测早期星系光谱的能力实现质的飞跃。

三、关键发现：光谱数据如何颠覆传统宇宙模型？

韦伯望远镜的早期星系光谱观测，已带来多项颠覆性发现：

• 星系形成时间提前：传统模型认为星系形成于宇宙大爆炸后5亿年，而韦伯观测到的z=12.5星系（3.5亿年）已具有盘状结构，其光谱显示恒星形成活动已持续1亿年，表明星系形成可能始于大爆炸后2亿年
• 重元素合成加速：在红移z=9.1的星系光谱中，韦伯检测到碳（CⅣ）和氧（OⅢ）的发射线，重元素丰度达太阳的1/20。这意味着第一代恒星（星族Ⅲ）的死亡与元素抛射过程，比理论预期快2倍
• “由内而外”生长证据：对编号为GS-9806的星系光谱分析显示，其核心区域的恒星年龄比外围老2亿年，且金属丰度更高，直接证实了星系“由内而外”的生长模型
• 宇宙再电离进程修正：通过分析中性氢（HI）的莱曼α吸收线，韦伯发现宇宙再电离过程可能始于大爆炸后2亿年，比此前认为的早1亿年，且电离效率是传统模型的3倍

见闻网整理的数据分析显示，韦伯已观测到23个红移z>10的星系光谱，其中17个的恒星形成速率和金属丰度超出标准宇宙学模型预测，迫使科学家重新修正星系演化理论。

四、典型案例：三个改写教科书的早期星系光谱

韦伯望远镜观测早期星系光谱的代表性成果，体现在以下三个典型案例中：

• GLASS-z12（z=12.5）：这是目前光谱确认的最遥远星系，其光谱中氢原子的莱曼α发射线红移至1.1微米。分析显示该星系质量约为1亿倍太阳质量，恒星形成速率为每年10倍太阳质量，且不含重元素，可能包含第一代恒星
• JADES-GS-z6-01（z=7.5）：光谱中同时检测到氧（OⅢ）、氮（NⅡ）和氢（Hβ）的发射线，计算得出其氧丰度为太阳的1/10，处于“宇宙金属化”的早期阶段。该星系的恒星形成历史显示存在两次爆发式形成事件，间隔约5000万年
• CEERS-93316（z=16.7）：虽未获得完整光谱，但近红外 photometry数据显示其红移可能达16.7（宇宙年龄2.3亿年）。如果得到光谱证实，将刷新最遥远星系纪录，其存在将对现有星系形成理论构成重大挑战

这些案例共同表明，早期宇宙的星系演化速度远超预期，韦伯望远镜观测早期星系光谱的能力正在改写我们对“宇宙婴儿期”的认知。

五、数据解读：从光谱到宇宙演化的推理链条

科学家如何从韦伯望远镜的光谱数据中还原早期星系的真实面貌？以“由内而外”生长星系的发现为例，其推理过程包括三个关键步骤：

1. 光谱空间分辨率分析：通过NIRSpec的积分视场单元（IFU），获得星系不同区域的光谱数据。例如，GS-9806星系核心区域的光谱显示更红的颜色（老年恒星特征），而外围区域有强烈的[OⅢ]发射线（年轻恒星形成）
2. 恒星年龄测算：利用光谱中的巴尔末吸收线（Hγ、Hδ）强度，结合恒星演化模型，计算出核心区域恒星年龄约为8亿年，外围约为6亿年，存在2亿年的年龄差
3. 金属丰度梯度验证：核心区域的铁（FeⅡ）和镁（MgⅡ）吸收线强度是外围的2倍，表明重元素从中心向外扩散，支持星系通过持续吸积外围气体生长的理论