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标题: 卷出新高度:韦布空间望远镜发现破记录的古老星系 [打印本页]

作者: 久存    时间: 2022-8-22 05:57
标题: 卷出新高度:韦布空间望远镜发现破记录的古老星系
迩来,天文学家公布发现一个红移高达13的星系,其时的宇宙年事约为3.3亿年。此前,保持记录的是红移约为11的星系,它所处的宇宙的年事约为4.2亿年。韦布将人类看到的最远星系往宇宙诞生时候方向推进了约1亿年。这只是韦布的一个轻松的开端。我们可以预期的是,开了挂的韦布将在未来很短的时间内得到更大的突破,领导人类破解极早期宇宙的奥秘。
撰文 | 王善钦
2022年7月12日,韦布望远镜(James Webb Space Telescope,简称JWST或“韦布”)得到的第一批图像在万众瞩目的盛况中被正式公布。这批照片不光震撼了天文圈子里的专业人士,也震撼了圈外的浩繁吃瓜群众。

图:2016年,被拼装好的韦布的主镜以及被折叠的副镜与支架。丨图源:NASA
然而,一瓜未落,一瓜又起:7月20日,哈佛大学的天文学家领衔的一个相助小组公布,他们在韦布拍摄的图像中发现了一个破记录的星系:它在宇宙大爆炸后约莫3.3亿年之后就已形成,是至今为止被发现的最古老的星系
怎样确定天体的红移?
红移是丈量天体间隔与年事的最关键依据之一。由于天体自身的活动或宇宙自身的膨胀,天体发出的光波会发生厘革。如果光波变长,就是红移;如果光波变短,就是负的红移,即蓝移。
如许取名是期间所限:100多年前的天文学家可以或许观测的波长根本上限于可见光,而可见光中红光的波长最长,蓝紫光的波长最短。因此其他颜色的可见光朝着赤色一端移动,就是红移。随着观测波长范围的扩大,天文学家早已观测到红光朝着红外移动的征象。不外,根据惯例,如许的移动依然被称为“红移”,而不是“红外移”。我们只须要记着:“红移”泛指波长变长。
天体发出的光包罗浩繁元素的原子发出的辐射。这些辐射由原子内的电子的跃迁导致,它们都有固定的波长。天体发出的部分光在前去地球的过程中,某些波段的辐射被自身大气或星际介质汲取后,强度变弱,表现为汲取线。
丈量到的天体的光谱中,如果某种元素的某条汲取线的波长与实行室测出的波长不一样,就分析其产生红移或蓝移。将二者相减,再除以实行室测出的波长,就是红移或蓝移的值。

图:汲取线(图中暗线)发生红移的表现图。箭头表现谱线发生的移动。丨图源:Georg Wiora

比方,氢原子的电子从第2、3、4、5、6轨道跃迁到第1轨道(基态),发出的辐射的波长依次为121.57纳米、102.57纳米、97.254纳米、94.974纳米与93.780纳米,这就是著名的“莱曼线系”的前几条。这些线也分别被称为莱曼α线、莱曼β线、莱曼γ线,等等。如果我们观测到某个天体的莱曼α线的波长成为1215.7纳米,那么我们就可以将1215.7减去着实行室里测出的波长121.57,再除以121.57,得到的数字9就是红移的值。
一些迢遥星系发出的辐射在穿过浩繁富含氢的星系际分子云时,内里包罗的莱曼α线(以及其他莱曼线)会被分子云内的氢严峻汲取,使其亮度出现断崖式的下跌,导致波长即是和短于莱曼α线的辐射的亮度远低于其他波长上的亮度。如许的星系被称为“莱曼断裂星系”(Lyman-break galaxies,LBG)。
观测到莱曼断裂星系后,将断裂处的波长测出,再与实行室中的莱曼α线的波长(121.57纳米)对比,就可以盘算出其红移。实际上的利用固然要更复杂一些:通过模子拟合,得到其理论能谱,从而确定出莱曼断裂的详细波长,再盘算其红移。
曾经的冠军:GN-z11
此前,天文学家在哈勃拍摄的图像中发现的最古老的星系是GN-z11。这个编号中的G代表“大型天文台宇宙开端深度巡天” (The Great Observatories Origins Deep Survey,GOODS),这是一个由哈勃空间望远镜(以下简称“哈勃”)与一些空间X射线望远镜及地面望远镜团结实行多波段观测的。GOODS观测南与北两个特定天区,分别用S和N表现。以是GN代表这个项目观测的北天区。

图:在GOODS北地域被观测到的GNz-11的放大图(小图)。这是由哈勃的ACS与WFC3得到的可见光与近红外线数据合成的图。丨图源:NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University)
2016年,耶鲁大学的天文学家Pascal Oesch领衔的团队联合哈勃与斯皮泽空间望远镜观测的图像,用哈勃的第三代宽场相机(WFC3)的棱栅光谱仪得到了位于GN观测地域内的这个星系的光谱。他们发现,这个星系能谱的断裂波长两侧的辐射流量比值低于0.32。[1]因此,它是一个莱曼断裂星系。
Oesch等人用莱曼断裂星系模板拟合它的能谱(见下图),确定出“莱曼断裂”处的波长约为1.47微米(1470纳米),得到其红移约为11.09。由于它的红移约为11,因此编号中就有了“z11”。

图:GNz-11的能谱拟合表明其红移约为11.09。暗赤色线为利用“莱曼断裂星系”(LBG)模板拟合的理论上的能谱。向下的箭头表现观测的上限值。别的两个模子的拟合的品格都低得多,这扫除了这个星系为低红移星系的大概性。丨图源:参考文献[1]
根据红移来盘算星系的年事,依靠于一些宇宙学参数。假设当前的哈勃常数为69.6,宇宙中物质的比例为0.286,暗能量的比例为0.714,那我们的宇宙的年事为137.21年(见:https://www.astro.ucla.edu/~wright/CosmoCalc.html)。
在如许的宇宙中,红移为11的星系地点的宇宙的年事为4.19亿年,其“寿命”至少为133.02亿年。
新记录的保持者:GLASS-z13
GN-z11的冠军宝座还没坐几年,就被韦布发现的更远的星系取而代之了。这次破了记录的星系被定名为GLASS-z13。

图:GLASS-z13的伪色图像。丨图源:Naidu et al, P. Oesch, T. Treu, GLASS-JWST, NASA/CSA/ESA/STScI
GLASS-z13中的GLASS是 “空间棱栅透镜放大巡天”(Grism Lens Amplified Survey from Space)的英文缩写。GLASS项目观测了10个星系团及它们附近的10个清闲域,此中一个星系团为Abell 2744,它也是著名的“哈勃边战场”(Hubble Frontier Fields,HFF)当年拍摄的6个星系团之一。

图:哈勃边战场项目得到的Abell 2744地点的天区(左)与该天区附近的“平行地域”的图像。丨图源:NASA, ESA, and J. Lotz, M. Mountain, A. Koekemoer, and the HFF Team (STScI)(左);参考文献[2](右)
韦布用近红外相机(NIRCam)拍摄Abell 2744地点天区及附近的天区内的星系的图像,并用近红外成像仪与无缝光谱仪(Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph,NIRISS)与近红外光谱仪(Near-Infrared Spectrograph,NIRSpec)得到天体的光谱。韦布得到的这些数据作为早期开释科学(early release science,ERS)数据之一被开释。这个项目因此被称为“GLASS-JWST-ERS”。
哈佛大学-斯密森天体物理中心(CfA)的Rohan Naidu领导的一个团队在GLASS-JWST-ERS得到的数据中确认了GLASS-z13 [注1]。必须提及的是,当年领衔团队确认GN-z11的Pascal Oesch也是这个团队的成员[注2],名列干系论文的第二。
下图顶端的7幅小图为韦布的NIRCam对GLASS-z13的7个波段的观测。这7个波段的中心波长分别为0.9微米、1.15微米、1.5微米、2.0微米、2.27微米、3.56微米与4.44微米。在这些波段,NIRCam对GLASS-z13地点的天区的观测时间分别为3.3、3.3、1.7、1.5、1.5、1.7与6.6小时。[3]

图:韦布的NIRCam的7个滤光片拍摄的GLASS-z13的图像(上)、根据得到的数据得到的各波段流量密度(左下,差别波段的星等/流量构成能谱)与拟合得到的红移(右下)。向下的箭头表现观测的上限值。橙赤色线为利用“莱曼断裂星系”(LBG)模板拟合的理论上的能谱。丨图源:参考文献[3]
从上图中的7个波段的观测图像可以直观地看出,波长较短的3个波段的图像中都没有出现GLASS-z13的图像,因此只能给出亮度的上限值。波长较长的4个波段的图像中出现了显着的星系图像,因此可以得到准确的亮度值。
将7个波段的亮度或上限准确值绘制到能谱的图中,就可以判断出GLASS-z13的“莱曼断裂”的波长的大抵位置,它将处于1.5到2.0微米之间。Naidu等人用“莱曼断裂星系”(图中的“LBG”)模板拟合出理论能谱(上图中的橙色线),确定出这个星系的“莱曼断裂”的波长的详细值。
根据拟合图,我们可以看出:在略大于1.6微米(1600纳米)处,GLASS-z13的流量出现了断崖式的下跌,因此这个波长就是这个星系的莱曼α线的位置。如果我们大抵地将1.6微米(1600纳米)减去实行室中的莱曼α线的波长(121.57纳米),再除以后者,就可以得到其红移约莫为12。实际上,由于它的断裂波长略大于1.6微米,终极得到的它的红移为12.4或13.1(接纳差别模子,得到的值略差别)。
根据上面取定的宇宙学参数,红移为13的星系GLASS-z13地点的宇宙的年事为3.32亿年,其“寿命”至少为133.88亿年,比红移为11的星系更古老约0.86亿年,靠近1亿年。因此,我们可以说韦布已经很轻松地将人类看到的最远的星系往宇宙诞生时候推了约1亿年[注3]
根据模子拟合,GLASS-z13的质量很低,仅约为太阳质量的10亿倍。[3]作为对比,我们的银河系的质量约为太阳质量的1万亿倍。因此,GLASS-z13的质量仅为银河系质量的约千分之一。
模子还表明,GLASS-z13在其时的宇宙中的年事已经存在约7100万年(上下偏差分别为3200万年与3300万年)。[3]其时宇宙自身的年事仅约为3.32亿年,因此它在宇宙诞生后约2.6亿年时就已诞生。
韦布探测到的GLASS-z13(以及其他红移到达10左右的高红移星系)的近红外辐射原来都是这些星系发出的紫外辐射。由于宇宙的膨胀,这些紫外线到达地球时,被拉长为近红外线。
以4.44微米波长的辐射为例,除以(13+1),就是0.317微米,即317纳米,属于近紫外线。更短波长的近红外线,除以同样的数值后,得到的是更短波长的紫外线。因此,只有那些紫外线辐射富足豁亮的星系,才有大概被韦布探测到。
至于那些古老星系发出的可见光辐射,颠末这么大的红移,到达地球时就已是中红外辐射,韦布的中红外装备(MIRI)是探测这些中红外辐射的有力工具。
卷出新高度
Naidu等人的论文于2022年7月19日被上传到预印本网站arxiv,并于20日被体系发布。同样在7月19日被上传到arxiv并在20日被发布的雷同的论文是意大利国家天体物理研究所的Marco Castellano领衔的一个团队公布的一篇论文。[4]
Castellano等人的论文也利用了GLASS-JWST-ERS开释的数据,从中确认了红移在9到15之间的一些星系,此中红移高出10的两个星系的红移的代号分别为GHZ1与GHZ2,它们的红移分别为10.6 与12.35。
Castellano等人也是接纳“莱曼断裂”方法来确定断裂处的波长,从而确定出它们的红移。在韦布的NIRCam利用的7个滤光片中,较短波长的两个波段未探测到星系,别的5个较长波长的图像中探测到星系。Castellano等人据此用莱曼断裂星系的模板拟合出这些星系的红移,见下图。

图:韦布的NIRCam的7个滤光片拍摄的GHZ1(左)与GHZ2(右)的图像(上)与根据得到的数据得到的各波段星等图(下,差别波段的星等/流量构成能谱)。下图的小图内为拟合得到的红移。向下的箭头表现观测的上限值。图中表现出显着的莱曼断裂特性。丨图源:参考文献[4]
GHZ2的红移略小于GLASS-z13,因此未引起媒体轰动。可见这个范畴已经内卷到相当惊人的程度了。
我们可以预见的是,今后天文学家根据韦布得到的数据去探求更高红移星系的竞争会不停白热化、更加内卷化,新的间隔会不停革新旧的记录。这种竞争与内卷对于人类熟悉可见宇宙的边疆黑白常有益的。我们等待韦布以后有这方面的更大的突破出现,以致发现第一代星系与第一代恒星。

图:差别期间、差别望远镜可以或许探测到的宇宙的深度。下方粉赤色标记的是红移(redshift),白色字标记的是对应红移处的宇宙年事,以10亿年为单元。韦布的观测目的是红移为20、宇宙年事仅2亿年的期间的星系与恒星。丨图源:NASA, ESA
解释
[注1] 由于GLASS-z13位于Abell 2744地点天区,以是并不在韦布发布的第一张全彩图(SMACS 0723地点的天区)内。
[注2] Pascal Oesch现在的单元是瑞士日内瓦大学天文系与丹麦根本哈哥大学玻尔研究所。
[注3] 固然差别的宇宙学参数会导致宇宙年事年事差别的详细值(137亿年到140亿年都有大概),但差别红移处的古老星系的年事差异仅有非常轻微的厘革。
参考文献
[1]Oesch, P. A. , et al. A Remarkably Luminous Galaxy at z=11.1 Measured with Hubble Space Telescope Grism Spectroscopy, 2016, ApJ, 819, 129
[2] Lotz J. M., et al. The Frontier Fields: Survey Design and Initial Results, 2017, ApJ, 837, 97
[3]Naidu, R. P., et al. Two Remarkably Luminous Galaxy Candidates at z ≈ 11  13 Revealed by JWST, 2022, arXiv:2207.09434
[4] Castellano, M., et al. Early results from GLASS-JWST. III: Galaxy candidates at z9-15, 2022, arXiv:2207.09436

出品:科普中国
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<hr/>泉源:返朴
编辑:牧鱼




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