宇宙是一个尘土飞扬的地方。宇宙尘埃的颗粒大小可以从单个大分子到比地球上的沙粒稍大，这些尘埃可以聚集形成横跨数光年的滚滚尘埃云。普遍的科学认识是，尘埃是经过数亿年由恒星和超新星逐渐产生的。尘埃通常是成熟星系的标志，或者天文学家是这么认为的。
但在周三发表在《自然》杂志上的一篇新论文中，天文学家在宇宙大爆炸后仅 8 亿年的遥远年轻星系中，发现了一种富含碳的特殊宇宙尘埃。这种尘埃的形成时间远远早于当前尘埃形成理论的预测。这一发现可能会改变天文学家对早期宇宙中恒星形成和星系演化的理解，以及最终，这个年轻宇宙如何成长为我们今天所知的宇宙。
长期以来，天文学家对待宇宙尘埃的方式就像我们看待沙发下的“灰尘球”一样：视为一种麻烦。科学家们试图绕过大片宇宙尘埃云，将其更多地视为障碍而非本身的研究对象。论文的主要作者，来自英国剑桥大学卡夫利宇宙学研究所的博士后研究员Joris Witstok说：“大多数天文学家与尘埃打交道的方式是，它实际上吸收了我们试图观测的大部分光线。”
但在最近几年，情况已经发生了变化，这得益于美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜等天文观测设备，它利用红外光穿透尘埃云。科学家们也开始认识到尘埃本身的重要性，意识到这些由碳、硅和其他物质组成的微小颗粒是宇宙大尺度过程，如新恒星形成的幕后推手。
Witstok 说：“例如，在银河系中，我们有新的恒星正在形成，而且那里尘埃很多。‘有巨大的气体和尘埃云，尘埃实际上有助于气体冷却和收缩，从而形成新的恒星。’”
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并非早期宇宙就没有尘埃。Witstok 表示，此前的研究已经在早期星系中发现了大量尘埃。天文学家对这些早期尘埃感兴趣，因为它代表着恒星开始产生除氢以外的第一个重元素。
Witstok 说：“第一批将氢转化为氦的恒星，而氢和氦在宇宙之初是唯一存在的物质，它们也产生了碳、氧等更重的元素。”
巨大的原始恒星可能在其生命周期的末期，或者在超新星爆炸时，将这些重元素构成的巨大数量的尘埃抛射出去。
但此前的研究未能在大约如此早期的时间检测到碳质尘埃——这意味着它富含碳。
Witstok 说：“真正的新发现是，我们能够确定我们看到的尘埃颗粒的类型。我们实际上能够说的是，有东西在很短的时间内特别生产了这些碳尘埃颗粒。这才是令人惊讶的地方。”
对银河系内更近距离的尘埃进行的星谱学观测使得这一发现成为可能。星谱学将光分解成光谱，并寻找与不同元素和化合物相关的特定波长处吸收光的特征迹象——这有点像在解读一条独特的彩虹。
碳质尘埃在 217.5 纳米的波长处会产生一个光谱“峰”，这个波长将其置于光谱的紫外部分。至少，这是光在数十亿年前离开其母星系时的波长。
Witstok 说：“由于它已经旅行了大约 130 亿年，而宇宙一直在膨胀，光真的会随着膨胀而被拉伸。”这种现象被称为红移。曾经是紫外线的光被拉伸得更长，所以波长——大约 1.5 到 2 微米——现在变成了红外线，而这正是 JWST 精确测量的一部分。
Witstok 说：“这正是我们之前无法做到这一点的原因。因为有了 JWST，我们现在才能首次在红外线进行这些非常精确的测量。”
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现在，研究人员已经在比预期更早的宇宙时期测量到了这种碳质尘埃，他们正试图弄清楚是什么过程能产生它。Witstok 表示，有两种理论，但两者都不是完美的。
第一种是早期星系的超新星产生了尘埃，即垂死的恒星在最后燃烧前抛射出物质。但他表示，问题在于超新星释放的剧烈力量也可能会摧毁其中大部分尘埃。
另一种尘埃来源可能是沃尔夫-拉叶星，这是一种巨大的、炽热的、燃烧速度快的恒星，它们可以在不到一百万年的时间里将大部分质量抛射到太空中。Witstok 说：“但同样的问题是，它们究竟能产生多少？这足以解释我们在早期宇宙中看到的现象吗？”
Witstok 和他的同事们希望通过计算机模拟来回答这些问题。理论家可以尝试调整超新星和沃尔夫-拉叶星的模型，以找到产生 JWST 观测到的碳质尘埃的条件。
他说，对早期星系的进一步观测也可能带来答案。“例如，我们可以开始观察那些星系中可能异常多的沃尔夫-拉叶星。”
无论是什么驱动着早期宇宙中碳质尘埃的形成，都可能为理解近代宇宙星系的演化，以及恒星和行星的形成提供线索。Witstok 说：“尘埃是我们理解星系演化的一个非常关键的组成部分。我们现在开始看到越来越多的证据表明它形成得非常早，这告诉我们，也许这种演化发生的速度比我们以前认为的要快。然后，这会在后续产生连锁反应，影响我们如何到达现在。”
