將韋伯推向極限可能揭示了最早的星系

由于詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST） 開始科學行動，天文學家已經觀測到 130 多億年前存在的星系。正是在這段時期，被稱為”宇宙黑暗時代“，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。但多虧了韋伯先進的紅外儀器、日冕儀和隔熱罩，黑暗時代的帷幕終于拉開了。

在最近的研究，一個國際科學家團隊從大爆炸后僅幾億年存在的星系中搜索了韋伯的檔案數據，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合會 （INAF） 的同事也加入了他的行列。國家光學紅外天文研究實驗室（NOIRLab） 中，該安達盧西亞天文研究所（IAA-CSIC） 中，該哈佛和史密森尼天體物理中心（CfA） 中，該太空望遠鏡科學研究所（STScI）、NASA 戈達德太空飛行中心以及多所大學和研究所。

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布觀測 （ERO） 中，其中包括”小紅點“結果是早期活躍的銀河系核（又名類星體）。

在韋伯望遠鏡之前，天文學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，韋伯望遠鏡的更強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 已經發現了數十種紅移高達z-14.2（當前紀錄保持者，相當于 BB 后的 ~300 Myr）。JWST 能夠對其物理性質進行詳細研究，包括其氣體的化學成分。

“在眾多令人興奮的結果中，我想說 JWST 獲得的兩個結果需要強調：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。”

在此期間發現的星系數量及其表觀亮度讓天文學家感到驚訝，因為它們與已建立的宇宙學模型處于“緊張”狀態。

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

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

Castellano 說，前一個發現是他研究的重點：

“自從第一次觀測以來，JWST 已經在z>9 具有明亮的紫外線發射，遠高于理論模型或先前觀測的預測值。

“在過去的 3 年里，已經進行了幾次理論嘗試來解釋這種明亮星系的”過剩“，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射或吸積對超大質量黑洞的貢獻，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測至關重要。”

根據他們的研究，該團隊查閱了 JWST 和 HST 光度測量數據ASTRODEEP-JWST 產品目錄并分析了構成它的七項調查。

這包括宇宙演化早期發布科學調查（CEERS） 中，字段由Great Observatories Origins Deep Survey-North（商品-N） 和GOODS-South （南）調查第一次再電離紀元光譜完成觀測（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，該團隊在這些光度數據源中搜索了紅移值為z= 15-30 的他們選擇的候選者是根據他們的光譜能量分布和萊曼斷裂的形狀來選擇的。

后一種技術涉及通過近紅外和紫外線 （UV） 濾光片觀察高紅移星系，因為這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：

“一方面，物體變得更暗，并且在較少數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，星系受到污染的風險更高。在使用光度信息尋找稀有的遙遠星系時，樣品污染始終是一個問題，但對于 z>15 樣品，這一問題會因新類別的特征不佳的低/中紅移天體進入選擇標準而加劇。

“這些天體的光譜能量分布通常與z>15星系相似，因為它們非常'紅'，也就是說，它們的發射波長超過2微米時急劇增加，因為它們的恒星光被塵埃極度衰減，或者因為它們由古老的恒星種群主導。在一些已知的情況下，它們的光度點與 z>15 星系的光度點相同，因為紅色連續發射與極強的發射線相結合，提高了一些觀察到的濾光片中的通量。

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

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重要。這些信息將有助于解決當前理論模型和觀測之間的緊張關系。

總體而言，該團隊從 ASTRODEEP-JWST 目錄中選擇了 10 個天體，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性。

“它們確實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期顏色兼容，”他說。“特別是，如上所述，它們可能是具有強烈發射線的塵埃星系，或者是古老的、被動演化的星系。”

例如，已經觀察到其中一個候選者與 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 名值得進一步研究的候選人：

如果我們假設它們都是位于 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，這比理論模型的預測要高。事實上，即使這些天體中只有一小部分的光譜確認，也意味著與理論預測存在很大的緊張關系。

更重要的是，該團隊的研究可能對 130 多億年前存在的塵埃星系的研究產生影響。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。

這些星系由低質量塵埃恒星形成星系和低質量被動星系組成，與這個時代的明亮紫外和低塵埃衰減星系相比，它們是罕見的。對這些候選者進行進一步研究可能會揭示更多關于宇宙歷史早期的信息。

與此同時，Castellano 和他的團隊強調需要對紅移值z= 15 或更多：

對被選為潛在天體進行光譜跟蹤至關重要z>15 個星系。確認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，如果我們發現它們都是低紅移的 ”闖入者“，我們將能夠了解在中間紅移時鮮為人知的塵埃星系和被動星系群，我們只能多虧了JWST才能發現和研究這些星系......我們開始了解如何利用 JWST 來搜索這些極其遙遠的星系，這很有挑戰性，但在大爆炸后僅找到 100-200 Myr 的來源是 JWST 能力所能及的。

他們最近的論文預印本在線出現正在審查以在該期刊上發表天文學與天體物理學.

本文最初由今日宇宙.閱讀原創文章.

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