詹姆斯·韦伯太空望远镜首次观测到早期宇宙中富含碳的尘埃颗粒的化学特征。
在更近的宇宙中也观察到了类似的观测特征，并将其归因于被称为多环芳烃(PAHs)的复杂碳基分子。然而，人们认为多环芳烃不太可能在宇宙形成的第一个十亿年内形成。
包括来自剑桥大学的研究人员在内的国际团队表示，韦伯可能已经观察到一种不同种类的碳基分子:可能是由最早的恒星或超新星产生的微小石墨或钻石状颗粒。他们的研究结果表明，早期宇宙中的婴儿星系的发展速度比预期的要快得多，研究结果发表在《自然》杂志上。
我们宇宙中看似空无一物的空间，实际上往往根本不是空的，而是由气体云和宇宙尘埃填充的。这种尘埃由各种大小和成分的颗粒组成，它们以各种方式形成并喷射到太空中，包括超新星事件。
这种物质对宇宙的演化至关重要，因为尘埃云最终会形成新恒星和行星的诞生地。然而，尘埃吸收了某些波长的恒星光，使得太空中的某些区域难以观测。
好处是某些分子会持续吸收或与特定波长的光相互作用。这意味着天文学家可以通过观察宇宙尘埃阻挡的光的波长来获得有关宇宙尘埃组成的信息。
剑桥大学领导的天文学家团队利用这项技术，结合韦伯非凡的灵敏度，探测到了宇宙诞生仅10亿年后富含碳的尘埃颗粒的存在。
剑桥Kavli宇宙学研究所的首席作者Joris Witstok博士说:“富含碳的尘埃颗粒在吸收波长约217.5纳米的紫外线方面特别有效，这是我们第一次在非常早期星系的光谱中直接观察到这一点。”
这个217.5纳米的特征之前已经在更近的和局部的宇宙中被观察到，包括在我们自己的银河系中，并且被归因于两种不同类型的碳基分子:多环芳烃(PAHs)或纳米级石墨颗粒。
根据大多数模型，多环芳烃的形成需要数亿年的时间，所以如果研究小组观察到尚未形成的分子的化学特征，那将是令人惊讶的。然而，根据研究人员的说法，这一结果是这种富含碳的尘埃颗粒最早和最遥远的直接标志。
答案可能在于观察到的细节。该团队观察到的特征峰值为226.3纳米，而不是与多环芳烃和微小石墨颗粒相关的217.5纳米波长。小于10纳米的误差可以用测量误差来解释。同样，它也可能表明该团队探测到的早期宇宙尘埃混合物的成分存在差异。
“吸收最强的波长的这种轻微变化表明我们可能看到了不同的颗粒混合，例如，石墨或钻石状颗粒，”Witstok说，他也是西德尼苏塞克斯学院的博士后研究助理。“这也可能在短时间内由沃尔夫-拉叶星或超新星喷出的物质产生。”
先前的模型表明，纳米钻石可以在超新星喷出的物质中形成;而巨大而炽热的沃尔夫-拉叶星，寿命短，寿命短，有足够的时间让一代又一代的恒星诞生、生存和死亡，在不到10亿年的时间里，将富含碳的颗粒散布到周围的宇宙尘埃中。
然而，用现有的对宇宙尘埃早期形成的理解来充分解释这些结果仍然是一个挑战。这些结果将继续为改进模型和未来观测的发展提供信息。
随着韦伯望远镜的出现，天文学家现在能够对宇宙最初10亿年里单个矮星系发出的光进行详细观察。韦伯最终允许研究宇宙尘埃的起源及其在星系演化的关键第一阶段的作用。
“这一发现是由于韦伯提供的近红外光谱，特别是它的近红外光谱仪(NIRSpec)提供的无与伦比的灵敏度提高而成为可能的，”卡文迪什实验室和Kavli宇宙学研究所的合著者Roberto Maiolino教授说。“在可见光方面，韦伯提供的灵敏度提高相当于将伽利略的37毫米望远镜瞬间升级为8米甚大望远镜，这是最强大的现代光学望远镜之一。”
研究小组正计划进一步研究这些数据和这一结果。“我们正计划与模拟星系中尘埃产生和增长的理论家合作，”亚利桑那大学/中心Astrobiología (CAB)的合著者Irene Shivaei说。“这将揭示早期宇宙中尘埃和重元素的起源。”
这些观测是JWST高级深河外巡天(JADES)的一部分。这个项目促进了数百个星系的发现，这些星系在宇宙诞生不到6亿年的时候就存在了，其中包括一些迄今为止已知的最远的星系。
“在我的整个职业生涯中，我一直在研究宇宙时间的前10亿年，我们从未想到在如此遥远的星系中找到如此清晰的宇宙尘埃特征，”来自利物浦约翰摩尔斯大学的合著者伦斯克·斯密特博士说。“来自JWST的超深数据向我们表明，由类金刚石尘埃组成的颗粒可以在最原始的系统中形成。这完全推翻了尘埃形成的模型，为研究第一批星系的化学富集开辟了一条全新的途径。”
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