在大爆炸之后不久，第一代恒星开始改变原始星系的化学组成，逐渐丰富了包括氧气、碳和氮等基本元素的星际介质。发现这些共同元素的最早的痕迹，将有助于揭示星系的化学演化，包括我们自己的银河系。新的观察结果与阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)揭示了微弱的，能说明氧的签名来自一个星系在创纪录的距离地球132.8亿光年的距离，这意味着我们正在观察这个对象它出现在宇宙只有5亿岁，或当前的年龄不到4%。对于这样一个被称为MACS1149-JD1的年轻星系来说，它必须在更早的时候就开始锻造恒星:大爆炸后不到2.5亿年。
与美国宇航局/ESA哈伯太空望远镜和inset图像一起拍摄的银河星系团J1149.5+2223，是与阿尔玛观测到的132.8亿光年的星系MACS1149-JD1，在这里阿尔玛的氧气分布被描绘成绿色。图片：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble
这在宇宙的历史中是非常早期的，并且表明丰富的化学环境是快速进化的。研究论文的第一作者Takuya Hashimoto解释说：看到最遥远的氧气的信号，我很激动，在《自然》期刊上发表了论文，同时也是大阪大学和日本国家天文台的研究员。位于巴尔的摩的约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的天文学家魏正(音译)说：这个极其遥远、极其年轻的星系对它有着非凡的化学成熟。他利用哈勃太空望远镜发现了这个星系，并估计了它的距离。他也是ALMA研究小组的成员。阿尔玛发现了一个排放线——一个特定元素的指纹——在这样一个破纪录的距离上，这真是太了不起了。
宇宙大爆炸之后，宇宙的化学成分十分有限，甚至连氧的微量元素都没有。这将需要几代的恒星诞生和超新星来为年轻的宇宙提供可检测到的氧气、碳和其他在恒星心脏中形成的元素。这些氧原子被超新星释放后，进入了星际空间。在那里变得过热，被大质量恒星的光和辐射所电离。这些热的、电离的原子在红外光下“发光”。当这束光穿过宇宙的巨大距离时，它被宇宙的膨胀所拉伸，最终变成了阿尔玛专门用来探测和研究的独特的毫米波光。通过测量从红外线到毫米波段的光波长的精确变化，研究小组确定了这一信号——氧气通过132.8亿光年到达我们，使它成为任何望远镜探测到的最遥远的氧信号。
与美国宇航局/ESA的哈勃太空望远镜一起拍摄的银河集群MACS J1149.5+2223;inset图像是非常遥远的星系MACS1149-JD1，被认为是133亿年前，与ALMA一起观测。在这里阿尔玛发现的氧气分布呈红色。图片：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble
通过欧洲南方天文台的超大望远镜观测到星系中中性氢的观测，进一步证实了这一距离估计。这些观测结果独立证实了MACS1149-JD1是最遥远的星系，具有精确的距离测量。随后，研究团队利用NASA/ESA哈勃太空望远镜和NASA的斯皮策太空望远镜拍摄的红外线数据，重建了星系中的恒星形成史。观测到的星系亮度很好地解释了一个模型，恒星形成的时间是2.5亿年前。模型表明，恒星的形成在第一批恒星被点燃后变得不活跃。它在阿尔玛的观测时代又复活了：大爆炸后5亿年。
天文学家们认为，第一代恒星形成的爆炸将气体从星系中吹走，从而暂时抑制了恒星的形成。然后气体又回落到星系中，导致了第二颗恒星的形成。第二次爆炸产生的巨大新生恒星电离了恒星之间的氧气，正是这些排放物被阿尔玛发现。在MACS1149-JD1中，成熟的恒星意味着恒星正在形成甚至更早的时间，超出了我们现在用望远镜所能看到的范围。这对于在第一个星系出现时发现“宇宙黎明”有着非常令人兴奋的暗示，伦敦大学学院的研究员尼古拉斯·拉波特补充道，他也是该研究小组的一名成员。
阿尔玛发现MACS1149-JD1中电离氧的微波谱，最初发射的红外线波长为88微米，由于宇宙膨胀超过132.8亿年，阿尔玛探测器的波长增加了893微米。图片：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Hashimoto et al.
相信阿尔玛和詹姆斯·韦伯太空望远镜的未来组合将在我们探索第一代恒星和星系的过程中发挥更大的作用。阿尔玛曾数次创下最遥远的氧气记录。2016年大阪Sangyo大学的Akio Inoue和他的同事们发现了与阿尔玛约131亿光年的氧气信号。几个月后，伦敦大学学院的尼古拉斯·拉波特(Nicolas Laporte)用ALMA探测了132亿光年以外的氧气。现在，两队合并成一组，并取得了新的记录。这反映了科学研究前沿的竞争和协作性。通过这个发现，我们成功地到达了宇宙恒星形成史的早期阶段，渴望在宇宙更远的地方找到氧，扩大人类知识的视野。这项研究发表在《自然》期刊上《大爆炸2.5亿年后恒星形成的开始》。
博科园-科学科普｜参考期刊《自然》｜来自：国家射电天文台
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