天文学家发现了一个螺旋星系，其外观与银河系惊人地相似，但存在于一个人们认为此类有序系统尚不可能出现的宇宙时期。两位印度研究人员在大爆炸后仅15亿年就发现了这个异常成熟的星系，这一发现时间对长期以来关于星系演化的观念提出了质疑。
美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯空间望远镜能够探测到极其微弱和遥远的光线，使得这一发现成为可能。凭借其强大的红外视力，研究人员拉希·贾因和约格什·瓦达德卡尔观察到了一个与银河系极其相似的系统，尽管它形成于宇宙年龄仅为现在的约十分之一时。他们将这个星系命名为阿拉克南达，灵感来源于喜马拉雅山脉的一条河流，它是恒河的两大源头之一，与曼达基尼河齐名，而巧合的是，这个名字在印地语中也是银河系的意思。
这项研究是在位于印度浦那的塔塔基础研究院国家射电天体物理中心进行的，成果发表在《欧洲天文学与天体物理学》期刊上。
为何这个星系不应如此早出现
天文学家通常认为早期星系看起来是混乱且不规则的，而非结构化和稳定的。典型的拥有两条形态优美旋臂的螺旋星系（被称为“宏象”螺旋星系）被认为需要数十亿年才能完全形成。形成这样一个星系需要缓慢、稳定的气体吸积，这些气体沉降形成旋转盘面，以及塑造螺旋臂的密度波的出现。除此之外，该系统还必须避免可能破坏或摧毁其精细结构的大型碰撞。
阿拉克南达完全不符合这种模式。它已经展现出两条环绕着明亮中央核球的显著、宽广的旋臂，延伸约3万光年。它还在以异常快的速度形成恒星，每年产生相当于约60个太阳质量的恒星。这个速度大约是今天银河系的20倍。阿拉克南达中大约一半的恒星似乎是在短短2亿年内形成的，这在宇宙时间尺度上是极快的速度。
“阿拉克南达具有我们通常认为属于数十亿年更古老星系的结构成熟度，”拉希·贾因说。“在这个时期发现如此有序的螺旋盘面告诉我们，驱动星系形成的物理过程——气体吸积、盘面沉降，以及可能还有螺旋密度波的发展——其运行效率可能远高于当前模型的预测。这迫使我们重新思考我们的理论框架。”
引力透镜如何帮助揭示阿拉克南达
阿拉克南达出现在一个被称为阿贝尔2744或潘多拉星团的巨大星系团方向上。该星团的引力弯曲并放大了其后星系发出的光，这种效应被称为引力透镜。这种天然的放大作用使阿拉克南达看起来亮度增加了一倍左右，让詹姆斯·韦伯空间望远镜能更清晰地看到其螺旋结构。
为了深入研究这个星系，贾因和瓦达德卡尔检查了詹姆斯·韦伯空间望远镜通过多达21个不同滤光片拍摄的图像，每个滤光片捕捉其光的不同波段。这些观测是詹姆斯·韦伯空间望远镜的UNCOVER和MegaScience巡天项目的一部分，使得研究人员能够以前所未有的精度确定该星系的距离、所含尘埃量、已经形成的恒星数量，以及其恒星形成率随时间的变化情况。
一个比预期成熟得更快的宇宙
詹姆斯·韦伯空间望远镜已经揭示了数个在极远距离处、令人惊讶的成熟盘状星系，但阿拉克南达脱颖而出，成为早期经典宏象螺旋星系（拥有两条轮廓分明、对称旋臂的星系）最清晰的例子之一。它的存在为越来越多的证据增添了分量，表明早期宇宙远比科学家曾经认为的要先进。
“阿拉克南达揭示出早期宇宙能够进行比我们预期快得多的星系组装，”约格什·瓦达德卡尔说。“不知何故，这个星系设法在短短几亿年内聚集了100亿太阳质量的恒星，并将它们组织成一个美丽的螺旋盘面。这在宇宙标准下是极快的速度，它迫使天文学家重新思考星系是如何形成的。”
研究人员现在想了解是什么塑造了阿拉克南达的旋臂。一种观点是，冷气体的稳定流入使得密度波能够自然地塑造旋臂。另一种可能性是，一个较小的伴星系近距离经过，触发了螺旋图案，尽管这种潮汐螺旋通常消退得很快。利用詹姆斯·韦伯空间望远镜的光谱仪或位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列进行后续观测，可以揭示该盘面是平稳旋转（动力学上“冷”），还是显示出湍流迹象（动力学上“热”），从而为其形成提供线索。
这一发现对理解宇宙历史的意义
阿拉克南达不仅仅是一张来自遥远过去的令人印象深刻的图像。它的存在迫使天文学家重新评估宇宙演化的时间线，包括恒星、星系乃至像地球这样的行星是如何形成的。如果星系能够如此迅速地组织自身，那么早期宇宙就是一个比先前假设的活跃得多、多产得多的环境，可能允许行星系统比预期更早地出现。
随着詹姆斯·韦伯空间望远镜继续向更深远的空间和时间探索，可能会发现更多像阿拉克南达这样的星系，每一个都将为早期宇宙如何快速构建复杂结构提供新的见解。
阿拉克南达的存在强化了一个观点，即年轻的宇宙能够比科学家们所认为的更早地形成稳定的、以盘面为主的系统，使其成为迄今为止识别出的最遥远的宏象螺旋星系之一。
