詹姆斯韦伯太空望远镜对遥远星系的观测比其他望远镜效果好5-10倍

将物体发出的光与观察到的红移光进行比较的光谱示意图。随着宇宙的膨胀,它会将光延伸到较低频率或光谱的红色部分。图片出处NASA/ESA/C. Christian/

将物体发出的光与观察到的红移光进行比较的光谱示意图。随着宇宙的膨胀,它会将光延伸到较低频率或光谱的红色部分。图片出处NASA/ESA/C. Christian/Z. Levay (STScI)

(神秘的地球uux.cn报道)据台北市立天文科学教育馆网站:根据一个国际科学家团队的一项新研究发现,詹姆斯韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope ,JWST) 使用近红外相机(NIRCam)观测的数据,将使天文学家更精确的掌握早期星系资料,科学家从JWST观测的遥远星系,获得了比以前更多的资讯,这说明JWST将使我们对宇宙中最古老星系的成长和演化有进一步的理解。

恒星质量是了解星系形成和演化的最重要的物理特性之一。因为星系中恒星的总量,将随这星系中的新恒星持续的形成而增加,这将是追踪星系成长最直接的方式。观测宇宙中最古老星系(超过130亿光年),将有助于了解星系如何演化。

以往想要对这些古老星系进行准确观测,天文学家一直面临了一些困扰。通常,天文学家进行星系的质光比(M/L)测量,利用星系产生的光估计其中恒星的总质量,而不是逐颗计算恒星质量。至今,哈伯太空望远镜(Hubble Space Telescope,HST)对最遥远星系(如大约135亿年前形成的GN-z11)进行的研究仅限于紫外光(UV)光谱。

遥远古老星系的光在达到我们这里时经历了显著的红移,当光穿越时空时,因为宇宙膨胀的因素,光的波长将变长,移向光谱的红色端。对于红移值(z)为7或更高的星系(距离为13.46光年或更远),大部分光将转移到光谱的红外光部份。例如,对于Z=7的星系,最初以0.6微米波长发出的光,最终以4.8微米的波长到达我们的望远镜,红移值愈高(星系愈远),这种效应愈强。

这意味需要红外光望远镜来测量星系的质量,因为HST无法观测到大部分遥远星系的光,在JWST出现之前,科学家使用的红外光望远镜是史匹哲太空望远镜(Spitzer Space Telescope,SST),而SST已经于2020年1月30日除役。但是SST的85公分主镜无法与JWST的6.5公尺主镜相媲美,由于SST有限的灵敏度和角分辨率,大多数遥远星系是SST无法检测到的。

此外,以前的观测可能会错过很多红色星系,这些星系富含灰尘(遮蔽光线),紫外光谱极微弱。因此,科学家认为先前对早期宇宙的恒星质量密度估计可能相差多达六倍,而JWST红外仪器套件,及其高灵敏度,将为未来研究宇宙中最古老和微弱星系,打开一扇新的窗。

在JWST发射之前,常用来观测恒星质量的方法,通常透过假设平均质量与紫外光的比,将紫外光(HST所测量的值)转换为恒星质量估计。质光比的关系是用少数且不确定的测量值来进行校准,这只能代表那些较容易观察的到星系(年轻、无尘埃的星系)成员。因此,先前恒星质量测量值容易产生很大的误差。

科学家透过JWST近红外相机观测资料,针对21个星系所发出的紫外光及红移可见光(红移范围6.7至12.3),进行其质量的观测。如此可以避免以往大量假设的不确定性,并将质量测量的准确性提高5到10倍。

使用JWST的NIRCam最蓝波段测量恒星的紫外光,并进行其质光比较,发现质光比不能用单一的平均值来代表,其值大约跨愈两个数量级。从物理角度来看,这一发现代表早期星系的的种类存在很大异质性,星系表现出各式各样的物理特性。

JWST卓愈的观测能力,对星系中恒星质量具有更严格的评估能力,将有利帮助科学家在最大与最长尺度上研究宇宙学。科学家认为先前对于星系质量增长过程的认知,可能会受到重要的系统分类之影响。在我们的研究中,系统不确定性的程度影响宇宙恒星质量密度,宇宙中星系的增长为时间的函数,估计早期不同个体间存在很大差异。我们发现标准质光比的假设,导致系统不确定性可能高达几倍,这与我们预期的精确值相差太大。这项研究已经发表在arXiv网站。

目前为止,JWST捕捉到最清晰,最详细的宇宙图像,并展现了其光学能力,这些图像已经带来许多的新发现。其中针对宇宙中古老星系如何演化,及暗物质和暗能量扮演的角色发挥重要作用。




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