在詹姆斯·韦伯空间望远镜升空之前，第一代星系在很大程度上只是理论模型与数值模拟中的存在。它们被设想为大爆炸后数亿年内诞生的首批恒星系统，由近乎纯净的氢和氦构成，在黑暗中点燃了宇宙的第一缕星光。如今，随着JWST将观测视野推向红移更高的深处，以及超级计算机对早期宇宙的精细重构，我们对第一代星系的认知正在从推测走向实证。这篇文章将从形成机制、物理特性、观测证据与未解谜题四个层面，梳理人类对第一代星系的理解现状。
一、从暗物质晕到星系生态圈：第一代星系如何诞生
理解第一代星系的起点，不是恒星，而是暗物质。根据当前宇宙学模型，大爆炸留下的密度扰动在引力作用下逐渐增长，形成暗物质晕。当暗物质晕的质量达到约一百万倍太阳质量时，其引力足以将原初气体捕获并压缩，从中诞生第一代恒星，也就是天文学上所称的星族三恒星。这些恒星只含有氢、氦和极微量的锂，不具备任何更重的元素。
单颗第一代恒星的出现并不等同于星系的形成。中央研究院天文及天文物理研究所陈科荣团队的高分辨率三维辐射流体动力学模拟揭示了一个关键门槛：当暗物质晕增长到约一亿倍太阳质量时，其引力势阱才足够深，能够维持内部恒星形成与超新星爆炸的循环，形成一个自洽的星际物质生态圈。只有到了这一步，天体系统才具备星系的定义资格。这一模拟还给出了时间标尺：在宇宙年龄约两亿年时（红移约20），初代恒星开始形成；到宇宙年龄约四亿年时（红移约10），初代星系得以成型。
一个反直觉的结论来自同一项模拟：初代星系的主要恒星成分并非第一代恒星，而是第二代恒星。大质量初代星以超新星方式剧烈终结，将金属元素抛射到数千光年范围，金属冷却效率远高于原初气体，从而催生了低质量的二代恒星。模拟显示，初代星系中心的恒星形成区往往聚集着几百到几千颗二代恒星，气体金属含量已达到太阳金属丰度的百分之一。这意味着，当我们观测到最早星系的光时，看到的很可能已经是“混血”星族，而非纯粹的第一代恒星集合。
二、形态与辐射：第一代星系长什么样
理论模拟给出的初代星系形态与今天宇宙中常见的螺旋星系或椭圆星系大相径庭。它们没有明显的对称结构，呈现不规则的团块状外观，缺乏旋转支持，恒星形成分散在若干个亮区之中。这种“散乱”并非模型缺陷，而是早期宇宙小质量系统在引力势阱尚浅、反馈过程剧烈的条件下的自然结果。
在辐射特征上，第一代星系的关键诊断信号来自氦。第一代恒星因其极端的表面温度，会产生大量高能紫外光子，足以将氦原子二次电离。当这些光子被氦核重新捕获时，会产生波长为1640埃的氦二复合发射线。这条谱线因此成为搜寻第一代恒星与第一代星系的重要探针。2024年，中国科学院大学王鑫团队在红移8.16的星系RX J2129-z8He II中探测到了异常明亮的He II 1640发射线，并通过光致电离模型推断，该星系中可能存在总质量约78万倍太阳质量的第一代恒星集合。这一候选体的意义在于，它或许是一个仍保留着部分“原初星族”的早期星系。
不过，并非所有第一代星系都同样“纯净”。清华大学领衔的国际团队在2025年报告了一个更为特殊的候选体CR3，红移仅3.19，对应宇宙年龄约20亿年。这个星系的光谱呈现出强烈的氢和氦发射线，却几乎探测不到任何重元素发射线，金属丰度极低，质量仅约60万倍太阳质量，年龄极为年轻。在宇宙已经步入“正午”的时期发现这样一个近乎原初的星系，挑战了第一代恒星形成在再电离结束后便基本终止的通行假设。研究团队推测，CR3位于大尺度低密度环境中，并合与相互作用较少，使得原始气体得以“幸存”并延迟增丰。这提示我们，第一代星系或许并非只存在于极早的宇宙时段，低密度环境中的“活化石”可能为研究早期星系物理提供了另一种路径。
三、观测的疆界：我们究竟看到了什么
严格来说，迄今尚未有任何一台望远镜直接、确凿地证认过一个完全由第一代恒星构成的第一代星系。当前所谓的“候选体”与“间接证据”，都建立在光谱特征与理论模型的比对之上。
JWST的贡献在于将星系样本的红移 frontier 推到了此前难以企及的深度。红移10对应的宇宙年龄约五亿年，红移8至9的星系在JWST近红外相机中已能被系统性地统计。在更早的哈勃时代，SPT0615-JD这样的引力透镜放大星系已经让天文学家得以窥见宇宙年龄仅五亿年时星系的内部结构细节，但其星光本身已不足以判定星族构成。JWST光谱仪的分辨率与灵敏度提升，使得He II发射线这样的诊断信号从理论预言变为可测量的目标，这才是第一代星系搜寻近年来取得实质进展的技术根基。
另一个不容忽视的线索来自宇宙再电离的整体图景。第一代恒星和第一代星系被普遍认为是再电离的主要能量来源：它们发出的电离紫外光子逃逸到星系际介质中，将中性氢电离，使宇宙从“不透明”变为“透明”。对再电离历史的时间约束，反过来限定了第一代星系必须存在的时段与数量下限。如果JWST在红移10以上的星系数量与电离光子产率持续超出预期，那么第一代星系的贡献可能需要被重新评估——它们或许比模型预言的更高效、更早出现，或者，再电离的完成还有超大质量黑洞等额外角色的参与。
四、未解的核心问题
第一代星系研究目前面临的最大瓶颈，不在于“看不到”，而在于“看不透”。一个仅由第一代恒星组成的星系，其周围往往仍被中性气体云包裹，这些气体吸收了大量紫外光子，使得星系本身在望远镜中极其暗淡甚至完全不可见。混合星族星系反而更容易被探测到，因为后代恒星产生的辐射可以穿透或电离周围的气体。这意味着，当前探测到的候选体很可能只是第一代星系家族中“污染较重”的那一部分，最纯粹的第一代星系或许仍然隐藏在观测阈值之下。
另一个根本性问题是第一代恒星的初始质量函数。它们究竟是数百倍太阳质量的巨兽，还是存在一个从数十到数百太阳质量不等的分布，直接决定了第一代星系的辐射输出、超新星能量注入方式以及金属增丰的节奏。CR3这类低质量、低金属丰度星系的发现，暗示第一代恒星形成可能并非一个单一的、瞬时的宇宙学事件，而是一个在不同环境中以不同速率延续的过程。如果这一图景成立，那么“第一代星系”的定义本身也需要变得更灵活：它不再严格对应某个宇宙学红移，而是指向一类化学与星族特征上仍保留原初印记的特殊天体。
Q1：第一代星系和第一代恒星是一回事吗？
不是。第一代恒星（星族三恒星）是宇宙中最早形成的恒星，成分仅含氢、氦和微量锂。第一代星系则是当暗物质晕质量足够大（约一亿太阳质量），能够维持恒星形成与超新星反馈的循环时，才形成的更大尺度天体系统。一个第一代星系中往往包含多代恒星，且模拟显示其主要成分可能是第二代恒星。
Q2：第一代星系大概在什么时候形成？
根据数值模拟，初代恒星在宇宙年龄约两亿年时开始出现，而具备星系级生态圈的第一代星系则在宇宙年龄约四亿年时成型。观测上，JWST已探测到红移10以上的星系候选体，对应宇宙年龄约五亿年以内。
Q3：为什么寻找第一代星系这么困难？
主要障碍有二：其一，纯粹由第一代恒星组成的星系周围常被中性气体包裹，紫外辐射被吸收，导致天体极其暗淡；其二，第一代星系距离极远，其光被宇宙膨胀拉伸到红外波段，需要JWST这样的红外望远镜才能探测。
Q4：He II 1640发射线为什么重要？
氦的二复合发射线需要能量极高的光子才能产生，而第一代恒星因其表面温度极高，是早期宇宙中这类光子的主要来源。在星系光谱中探测到异常强的He II 1640线，是推断该星系中存在第一代恒星的关键证据之一。
Q5：第一代星系和宇宙再电离有什么关系？
第一代星系中的恒星发出的电离紫外光子逃逸到星系际介质，将中性氢电离，使宇宙从“黑暗时代”的不透明状态逐渐变为透明。这一过程被称为宇宙再电离，是宇宙历史上最后一次整体相变。
Q6：CR3是什么？它为什么特殊？
CR3是一个红移3.19（约115亿年前）的极低金属丰度星系候选体，其光谱仅显示氢和氦发射线，几乎缺乏所有重元素线。在宇宙已经成熟的“正午”时期发现这样一个近乎原初的星系，暗示第一代恒星形成可能在某些低密度环境中延续到了更晚的时期。
Q7：第一代星系现在还存在吗？
纯粹的第一代星系作为活跃恒星形成系统，在宇宙早期之后便不再大量存在。但它们的“化石”可能以暗弱矮星系或星团的形式留存至今。理论预测银河系晕中可能存在约三百个这类化石系统的候选体，但迄今尚未获得确凿证认。
Q8：JWST之后，下一步用什么工具研究第一代星系？
地面三十米级望远镜（如TMT、ELT）将提供比JWST更高的光谱分辨率，用于精确测量候选体的金属丰度和星族构成。此外，平方公里阵列射电望远镜（SKA）计划通过探测中性氢的21厘米信号，从另一条路径约束第一代星系对再电离的贡献。