詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發現第二遙遠的星系 _太空

使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的近紅外相機(NIRCam)確認了有史以來第二和第四遙遠的星系(揭開z-13和z-12) 。這些星系位于潘多拉星團(Abell 2744)中，這里顯示的是近紅外波長的光，這些光被轉換成可見光顏色。主星團圖像的比例以角秒為單位，這是天空中角度距離的度量。黑白圖像上的圓圈顯示了JWST號上NIRCam-F277W濾光波段中的星系，表明孔徑大小為0.32弧秒。鳴謝:集群圖像:美國國家航空航天局，揭開(貝贊森等人，:10.48550/arXiv.2212.04026)插圖:美國國家航空航天局，揭開(王等人，2023)作曲:達尼·贊巴/賓夕法尼亞州立大學
據賓夕法尼亞州立大學：利用美國國家航空航天局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)的數據，在一個被稱為潘多拉星團或Abell 2744的空間區域發現了有史以來第二和第四遙遠的星系。
由賓夕法尼亞州立大學研究人員領導的國際團隊對該地區的深場圖像進行了跟蹤，確認了這些古老星系的距離，并使用來自JWST的新光譜數據(關于電磁波譜中發出的光的信息)推斷了它們的屬性。這些難以置信的遙遠星系距離我們將近330億光年，讓我們得以了解最早的星系可能是如何形成的。
根據研究人員的說法，與在這個距離上確認的在圖像中顯示為紅點的其他星系不同，新星系更大，看起來像花生和絨毛球。一篇描述這些星系的論文發表在《天體物理學雜志快報》上。
“我們對早期宇宙知之甚少，了解那個時期并測試我們早期星系形成和增長理論的唯一方法是通過這些非常遙遠的星系，”第一作者王冰潔說，他是賓夕法尼亞州立大學埃伯利科學學院的博士后學者，也是進行這項研究的JWST發現(超深NIRSpec和NIRCam觀察，在再電離時代之前)團隊的成員。
“在我們分析之前，我們只知道有三個星系被證實在這個極端距離左右。研究這些新星系及其屬性揭示了早期宇宙中星系的多樣性，以及從中可以學到多少東西。”
因為來自這些星系的光必須傳播很長時間才能到達地球，所以它提供了一個了解過去的窗口。研究小組估計，JWST探測到的光是這兩個星系在宇宙大約3.3億歲時發出的，行進了大約134億光年到達JWST 。但是，研究人員說，由于這段時間宇宙的膨脹，這些星系目前距離地球接近330億光年。

賓夕法尼亞州立大學天文學和天體物理學助理教授Joel Leja說:“這些星系發出的光是古老的，大約比地球古老三倍。”“這些早期星系就像燈塔，光線穿過構成早期宇宙的非常稀薄的氫氣。只有通過它們的光，我們才能開始理解宇宙黎明附近統治銀河系的奇異物理。”
值得注意的是，這兩個星系比之前位于這些極端距離的三個星系要大得多。其中一顆至少大六倍，直徑約2000光年。相比之下，銀河系大約有100，000光年寬，但是，王說，早期宇宙被認為是非常壓縮的，所以銀河系如此之大令人驚訝。
“以前在這些距離發現的星系是點源——它們在我們的圖像中顯示為一個點，”王說。
“但我們的一個看起來細長，幾乎像一顆花生，另一個看起來像一個毛茸茸的球。目前還不清楚大小的差異是由于恒星是如何形成的，還是它們形成后發生了什么，但星系屬性的多樣性真的很有趣。這些早期星系預計由相似的材料形成，但它們已經顯示出彼此非常不同的跡象。”
這兩個星系是JWST在2022年拍攝的首批深場圖像中探測到的潘多拉星團中的6萬個光源之一，這是科學運作的第一年。選擇這個空間區域的部分原因是因為它位于幾個星系團的后面，這些星系團產生了一種被稱為引力透鏡的自然放大效應。
星團組合質量的引力扭曲了它周圍的空間，聚焦并放大了任何經過附近的光線，并提供了星團后面的放大視圖。
在幾個月的時間里，UNCOVER團隊將60，000個光源縮小到700個候選光源，供后續研究使用，其中8個他們認為可能是第一批星系。然后，JWST再次指向潘多拉星團，記錄下候選者的光譜——一種詳細記錄每個波長發出的光量的指紋。
“幾個不同的團隊正在使用不同的方法尋找這些古老的星系，每個團隊都有自己的優勢和劣勢，”Leja說。
“我們在太空中指向這個巨大的放大鏡的事實給了我們一個難以置信的深窗口，但它是一個非常小的窗口，所以我們在擲骰子。有幾個候選者是不確定的，至少有一個是認錯了人——它更接近于一個遙遠的星系。但是我們很幸運，其中兩個就是這些古老的星系。太不可思議了。”
研究人員還使用詳細的模型來推斷這些早期星系發射JWST探測到的光時的屬性。正如研究人員所預料的那樣，這兩個星系很年輕，其成分中幾乎沒有金屬，并且正在快速生長并積極形成恒星。
“最初的元素是通過聚變過程在早期恒星的核心中鍛造出來的，”萊賈說。“這些早期星系沒有像金屬這樣的重元素是有道理的，因為它們是首批制造這些重元素的工廠之一。當然，它們必須年輕并正在形成恒星，才能成為第一個星系，但確認這些屬性是對我們模型的重要基礎測試，有助于確認大爆炸理論的整個范式。”
研究人員指出，除了引力透鏡， JWST強大的紅外儀器應該能夠探測到更遠的星系，如果它們存在的話。
“我們在這個區域有一個非常小的窗口，我們沒有觀察到這兩個星系以外的任何東西，盡管JWST有這個能力， ”Leja說。“這可能意味著在那段時間之前星系并沒有形成，我們不會在更遠的地方發現任何東西。或者這可能意味著我們的小窗口不夠幸運。”
這項工作是提交給美國國家航空航天局的一項成功提案的結果，該提案建議如何在第一年的科學運作中使用JWST 。在前三個周期的提交中，美國宇航局收到的建議比望遠鏡上可用的觀測時間多了4到10倍，不得不選擇其中的一小部分。
“當我們的提議被接受時，我們的團隊非常興奮，也有點驚訝，”Leja說。“這涉及到協調、人類的快速行動以及望遠鏡兩次指向同一個物體，這對第一年使用的望遠鏡來說是很高的要求。壓力很大，因為我們只有幾個月的時間來確定跟進的對象。但是JWST是為了發現第一批星系而建造的，現在做這件事是如此令人興奮。”
除了賓夕法尼亞州立大學，該團隊還包括來自德克薩斯大學奧斯汀分校、澳大利亞Swinburne技術大學、以色列內蓋夫本古里安大學、耶魯大學、匹茲堡大學、法國索邦大學、丹麥哥本哈根大學、瑞士日內瓦大學、麻省大學、荷蘭格羅寧根大學、普林斯頓大學、日本早稻田大學、塔夫茨大學和國家光學-紅外天文學研究(NOIR)實驗室的研究人員。