在大爆炸发生后仅5亿年左右，当宇宙年龄只有现在的3%时，第一批恒星和星系已点亮夜空。天文学家原以为，这些年轻星系周围的气体依然非常纯净，主要由氢和氦组成。然而，一项发表在 Nature Astronomy 上的最新研究表明，这一图像并不完整。由亚利桑那大学天文学系暨斯图尔德天文台团队领衔的研究发现，早期星系向外喷射碳、氧等重元素的时间远早于预期。
论文第一作者、亚利桑那大学天文学系暨斯图尔德天文台博士后研究员 Yongda Zhu 表示，在宇宙极早期，重元素就已从星系中逃逸，散播到星际空间，甚至为其他星系的形成播下了化学种子。
宇宙诞生初期几乎只有氢和氦。万有引力将气体聚集为恒星，在内部高温高压下通过核聚变合成了碳、氧等较重元素。当恒星经历超新星爆发走向终局，这些重元素被倾泻到宇宙中，成为新一代恒星、行星乃至生命所需的化学基础。人类体内的碳和呼吸的氧，都源于古老恒星的熔炉。但此前人们并不清楚，重元素以多快的速度逃离最初的星系。
Yongda Zhu 团队借助美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯空间望远镜，观测了3个发光穿行超过130亿年的遥远星系。数据展示了大爆炸后约5亿年“宇宙重电离时期”的景象，当时恒星与星系释放的紫外线剥离了氢原子核的电子，逐渐终结了黑暗时代。研究人员将星系作为背景光源，分析光线穿过周围气体时的特征光谱。经过近30小时的累积曝光，团队在光谱中捕捉到了微弱的元素吸收特征。
在一个漫长的夜晚，Yongda Zhu 检查了数百个星系的光谱，发现了3个呈现碳、氧、硅等重元素吸收特征的星系。这些吸收线呈现出蓝移现象，意味着气体正向外高速运动，将重元素带入星系际空间。令人惊叹的是，这些婴儿星系周围的化学特征与数10亿年后的成熟星系非常相似，表明星系在宇宙黎明期就在高效制造并扩散重元素。Yongda Zhu 将此比作滴入水中的色素，重元素在空间中扩散并滋养周围环境。
这种物质流动被称为重子循环，表明星系是巨大生态系统的一部分。这一发现还有助于解答“第三星族星”的谜团。理论上，第一代恒星由纯净的氢氦气体形成，但如果早期星系在大爆炸后5亿年就已污染周围气体，纯净环境便会迅速消失，导致第三星族星难以被直接观测到。正如 Yongda Zhu 所说，如果往纯香草冰淇淋里撒入彩糖，很快就再也找不到纯净的香草冰淇淋了。
（示意图）
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