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: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: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