將韋伯推向極限可能揭示了最早的星系

由于詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST） 開始科學(xué)行動，天文學(xué)家已經(jīng)觀測到 130 多億年前存在的星系。正是在這段時(shí)期，被稱為”宇宙黑暗時(shí)代“，最早的恒星和星系形成于 2 億到 10 億年之后Big Bang.

不幸的是，這一時(shí)期的光僅限于大爆炸引起的遺跡輻射——宇宙微波背景（CMB） – 以及恒星輻射對中性氫再電離釋放的光子。

以前的天文臺，例如古老的哈 勃和斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡由于紅外 （IR） 靈敏度有限，在此期間無法觀測到星系。但多虧了韋伯先進(jìn)的紅外儀器、日冕儀和隔熱罩，黑暗時(shí)代的帷幕終于拉開了。

在最近的研究，一個(gè)國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)從大爆炸后僅幾億年存在的星系中搜索了韋伯的檔案數(shù)據(jù)，將韋伯的想象能力推向了極限。

該研究由馬可·卡斯特拉諾，來自國家天體物理研究所的羅馬天文臺（INAF-OAR）?！?來自印度國家橄欖球聯(lián)合會 （INAF） 的同事也加入了他的行列。國家光學(xué)紅外天文研究實(shí)驗(yàn)室（NOIRLab） 中，該安達(dá)盧西亞天文研究所（IAA-CSIC） 中，該哈佛和史密森尼天體物理中心（CfA） 中，該太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（STScI）、NASA 戈達(dá)德太空飛行中心以及多所大學(xué)和研究所。

自韋伯首次投入使用以來，它一直在觀測 130 多億年前存在的星系。其中一些早期星系的圖像包含在韋伯早期發(fā)布觀測 （ERO） 中，其中包括”小紅點(diǎn)“結(jié)果是早期活躍的銀河系核（又名類星體）。

在韋伯望遠(yuǎn)鏡之前，天文學(xué)家能夠分辨出存在于紅移~10 （大爆炸后 ~5 億年），使用哈勃和斯皮策，盡管靈敏度要低得多。

但正如卡斯特拉諾通過電子郵件告訴《今日宇宙》的那樣，韋伯望遠(yuǎn)鏡的更強(qiáng)靈敏度為星系形成和演化的第一階段打開了一扇新窗口：

“JWST 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)十種紅移高達(dá)z-14.2（當(dāng)前紀(jì)錄保持者，相當(dāng)于 BB 后的 ~300 Myr）。JWST 能夠?qū)ζ湮锢硇再|(zhì)進(jìn)行詳細(xì)研究，包括其氣體的化學(xué)成分。

“在眾多令人興奮的結(jié)果中，我想說 JWST 獲得的兩個(gè)結(jié)果需要強(qiáng)調(diào)：BB 之后 500-300 Myr 的明亮星系的高豐度，以及前 10 億年中大量微弱的 AGN。”

在此期間發(fā)現(xiàn)的星系數(shù)量及其表觀亮度讓天文學(xué)家感到驚訝，因?yàn)樗鼈兣c已建立的宇宙學(xué)模型處于“緊張”狀態(tài)。

對于超大質(zhì)量也是如此黑洞（SMBHs） 在此期間觀察到的，比宇宙學(xué)模型預(yù)測的要大。

在這兩種情況下，這些模型都表明，自大爆炸以來，沒有足夠的時(shí)間形成如此多的明亮星系，也沒有足夠的時(shí)間讓 SMBH 變得如此之大。

Castellano 說，前一個(gè)發(fā)現(xiàn)是他研究的重點(diǎn)：

“自從第一次觀測以來，JWST 已經(jīng)在z>9 具有明亮的紫外線發(fā)射，遠(yuǎn)高于理論模型或先前觀測的預(yù)測值。

“在過去的 3 年里，已經(jīng)進(jìn)行了幾次理論嘗試來解釋這種明亮星系的”過?！?，要么是由于非常低的塵埃衰減，要么是由于高恒星形成效率，要么是由于貧金屬恒星的發(fā)射或吸積對超大質(zhì)量黑洞的貢獻(xiàn)，等等。

“尋找紅移高于迄今為止探索的星系以測試這些理論模型的預(yù)測至關(guān)重要?！?/p>

根據(jù)他們的研究，該團(tuán)隊(duì)查閱了 JWST 和 HST 光度測量數(shù)據(jù)ASTRODEEP-JWST 產(chǎn)品目錄并分析了構(gòu)成它的七項(xiàng)調(diào)查。

這包括宇宙演化早期發(fā)布科學(xué)調(diào)查（CEERS） 中，字段由Great Observatories Origins Deep Survey-North（商品-N） 和GOODS-South （南）調(diào)查第一次再電離紀(jì)元光譜完成觀測（FRESCO） 中，該下一代深層星系外探索公眾（NGDEEP） 活動，坎德爾,玻璃-JWST等。

如前所述，該團(tuán)隊(duì)在這些光度數(shù)據(jù)源中搜索了紅移值為z= 15-30 的他們選擇的候選者是根據(jù)他們的光譜能量分布和萊曼斷裂的形狀來選擇的。

后一種技術(shù)涉及通過近紅外和紫外線 （UV） 濾光片觀察高紅移星系，因?yàn)檫@些星系的輻射幾乎完全被周圍的中性氣體吸收。

正如 Castellano 所解釋的那樣，這帶來了許多挑戰(zhàn)：

“一方面，物體變得更暗，并且在較少數(shù)量的光度波段中被檢測到，這使得對其光譜形狀的限制變得不那么重要。另一方面，越來越明顯的是，在較低的紅移下，星系受到污染的風(fēng)險(xiǎn)更高。在使用光度信息尋找稀有的遙遠(yuǎn)星系時(shí)，樣品污染始終是一個(gè)問題，但對于 z>15 樣品，這一問題會因新類別的特征不佳的低/中紅移天體進(jìn)入選擇標(biāo)準(zhǔn)而加劇。

“這些天體的光譜能量分布通常與z>15星系相似，因?yàn)樗鼈兎浅?紅'，也就是說，它們的發(fā)射波長超過2微米時(shí)急劇增加，因?yàn)樗鼈兊暮阈枪獗粔m埃極度衰減，或者因?yàn)樗鼈冇晒爬系暮阈欠N群主導(dǎo)。在一些已知的情況下，它們的光度點(diǎn)與 z>15 星系的光度點(diǎn)相同，因?yàn)榧t色連續(xù)發(fā)射與極強(qiáng)的發(fā)射線相結(jié)合，提高了一些觀察到的濾光片中的通量。

目前，天文學(xué)家只能識別出幾個(gè)紅移值為z= 15 或更高。盡管這些星系的紫外靜止幀發(fā)射在韋伯近紅外相機(jī) （NIRCam） 的光譜覆蓋范圍內(nèi)。

盡管如此，打破z= 15 屏障對于了解早期宇宙中第一批恒星和星系形成的星系演化至關(guān)重要。這些信息將有助于解決當(dāng)前理論模型和觀測之間的緊張關(guān)系。

總體而言，該團(tuán)隊(duì)從 ASTRODEEP-JWST 目錄中選擇了 10 個(gè)天體，這些天體的顏色與z= 15 到 20。然而，正如 Castellano 解釋的那樣，對這些來源的分析再次證明，研究這些紅移的天體極具挑戰(zhàn)性。

“它們確實(shí)是可信的高紅移候選者，但它們也與稀有星系群在較低紅移下的預(yù)期顏色兼容，”他說?！疤貏e是，如上所述，它們可能是具有強(qiáng)烈發(fā)射線的塵埃星系，或者是古老的、被動演化的星系?！?/p>

例如，已經(jīng)觀察到其中一個(gè)候選者與 Webb 的近紅外光譜儀（NIRSpec） 作為CANDELS-面棱鏡再電離歷程巡天（刺山柑）。

這個(gè)星系的恒星形成速率很高，紅移z= 6.56 （~132 億年），但被塵埃高度衰減，使其看起來更紅。然而，他們研究中的其余候選人仍然有潛力z~15-20 名值得進(jìn)一步研究的候選人：

如果我們假設(shè)它們都是位于 z>15 的星系，那么其含義就非常有趣了。它們的數(shù)量意味著在大爆炸后會有大量 2-300 Myr 的明亮星系，這比理論模型的預(yù)測要高。事實(shí)上，即使這些天體中只有一小部分的光譜確認(rèn)，也意味著與理論預(yù)測存在很大的緊張關(guān)系。

更重要的是，該團(tuán)隊(duì)的研究可能對 130 多億年前存在的塵埃星系的研究產(chǎn)生影響。就像極高紅移的星系一樣，位于z= 4 到 7（12.5 到 133 億年）知之甚少。

這些星系由低質(zhì)量塵埃恒星形成星系和低質(zhì)量被動星系組成，與這個(gè)時(shí)代的明亮紫外和低塵埃衰減星系相比，它們是罕見的。對這些候選者進(jìn)行進(jìn)一步研究可能會揭示更多關(guān)于宇宙歷史早期的信息。

與此同時(shí)，Castellano 和他的團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)需要對紅移值z= 15 或更多：

對被選為潛在天體進(jìn)行光譜跟蹤至關(guān)重要z>15 個(gè)星系。確認(rèn)它們是真正的高紅移星系，將對我們理解星系演化的最早階段具有重大意義。

“相反，如果我們發(fā)現(xiàn)它們都是低紅移的 ”闖入者“，我們將能夠了解在中間紅移時(shí)鮮為人知的塵埃星系和被動星系群，我們只能多虧了JWST才能發(fā)現(xiàn)和研究這些星系......我們開始了解如何利用 JWST 來搜索這些極其遙遠(yuǎn)的星系，這很有挑戰(zhàn)性，但在大爆炸后僅找到 100-200 Myr 的來源是 JWST 能力所能及的。

他們最近的論文預(yù)印本在線出現(xiàn)正在審查以在該期刊上發(fā)表天文學(xué)與天體物理學(xué).

本文最初由今日宇宙.閱讀原創(chuàng)文章.

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