詹姆斯·韦伯太空望远镜发现第二遥远的星系 _太空

使用詹姆斯·韦伯太空望远镜的近红外相机(NIRCam)确认了有史以来第二和第四遥远的星系(揭开z-13和z-12) 。这些星系位于潘多拉星团(Abell 2744)中，这里显示的是近红外波长的光，这些光被转换成可见光颜色。主星团图像的比例以角秒为单位，这是天空中角度距离的度量。黑白图像上的圆圈显示了JWST号上NIRCam-F277W滤光波段中的星系，表明孔径大小为0.32弧秒。鸣谢:集群图像:美国国家航空航天局，揭开(贝赞森等人，:10.48550/arXiv.2212.04026)插图:美国国家航空航天局，揭开(王等人，2023)作曲:达尼·赞巴/宾夕法尼亚州立大学
据宾夕法尼亚州立大学：利用美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的数据，在一个被称为潘多拉星团或Abell 2744的空间区域发现了有史以来第二和第四遥远的星系。
由宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的国际团队对该地区的深场图像进行了跟踪，确认了这些古老星系的距离，并使用来自JWST的新光谱数据(关于电磁波谱中发出的光的信息)推断了它们的属性。这些难以置信的遥远星系距离我们将近330亿光年，让我们得以了解最早的星系可能是如何形成的。
根据研究人员的说法，与在这个距离上确认的在图像中显示为红点的其他星系不同，新星系更大，看起来像花生和绒毛球。一篇描述这些星系的论文发表在《天体物理学杂志快报》上。
“我们对早期宇宙知之甚少，了解那个时期并测试我们早期星系形成和增长理论的唯一方法是通过这些非常遥远的星系，”第一作者王冰洁说，他是宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院的博士后学者，也是进行这项研究的JWST发现(超深NIRSpec和NIRCam观察，在再电离时代之前)团队的成员。
“在我们分析之前，我们只知道有三个星系被证实在这个极端距离左右。研究这些新星系及其属性揭示了早期宇宙中星系的多样性，以及从中可以学到多少东西。”
因为来自这些星系的光必须传播很长时间才能到达地球，所以它提供了一个了解过去的窗口。研究小组估计，JWST探测到的光是这两个星系在宇宙大约3.3亿岁时发出的，行进了大约134亿光年到达JWST 。但是，研究人员说，由于这段时间宇宙的膨胀，这些星系目前距离地球接近330亿光年。

宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学助理教授Joel Leja说:“这些星系发出的光是古老的，大约比地球古老三倍。”“这些早期星系就像灯塔，光线穿过构成早期宇宙的非常稀薄的氢气。只有通过它们的光，我们才能开始理解宇宙黎明附近统治银河系的奇异物理。”
值得注意的是，这两个星系比之前位于这些极端距离的三个星系要大得多。其中一颗至少大六倍，直径约2000光年。相比之下，银河系大约有100，000光年宽，但是，王说，早期宇宙被认为是非常压缩的，所以银河系如此之大令人惊讶。
“以前在这些距离发现的星系是点源——它们在我们的图像中显示为一个点，”王说。
“但我们的一个看起来细长，几乎像一颗花生，另一个看起来像一个毛茸茸的球。目前还不清楚大小的差异是由于恒星是如何形成的，还是它们形成后发生了什么，但星系属性的多样性真的很有趣。这些早期星系预计由相似的材料形成，但它们已经显示出彼此非常不同的迹象。”
这两个星系是JWST在2022年拍摄的首批深场图像中探测到的潘多拉星团中的6万个光源之一，这是科学运作的第一年。选择这个空间区域的部分原因是因为它位于几个星系团的后面，这些星系团产生了一种被称为引力透镜的自然放大效应。
星团组合质量的引力扭曲了它周围的空间，聚焦并放大了任何经过附近的光线，并提供了星团后面的放大视图。
在几个月的时间里，UNCOVER团队将60，000个光源缩小到700个候选光源，供后续研究使用，其中8个他们认为可能是第一批星系。然后，JWST再次指向潘多拉星团，记录下候选者的光谱——一种详细记录每个波长发出的光量的指纹。
“几个不同的团队正在使用不同的方法寻找这些古老的星系，每个团队都有自己的优势和劣势，”Leja说。
“我们在太空中指向这个巨大的放大镜的事实给了我们一个难以置信的深窗口，但它是一个非常小的窗口，所以我们在掷骰子。有几个候选者是不确定的，至少有一个是认错了人——它更接近于一个遥远的星系。但是我们很幸运，其中两个就是这些古老的星系。太不可思议了。”
研究人员还使用详细的模型来推断这些早期星系发射JWST探测到的光时的属性。正如研究人员所预料的那样，这两个星系很年轻，其成分中几乎没有金属，并且正在快速生长并积极形成恒星。
“最初的元素是通过聚变过程在早期恒星的核心中锻造出来的，”莱贾说。“这些早期星系没有像金属这样的重元素是有道理的，因为它们是首批制造这些重元素的工厂之一。当然，它们必须年轻并正在形成恒星，才能成为第一个星系，但确认这些属性是对我们模型的重要基础测试，有助于确认大爆炸理论的整个范式。”
研究人员指出，除了引力透镜， JWST强大的红外仪器应该能够探测到更远的星系，如果它们存在的话。
“我们在这个区域有一个非常小的窗口，我们没有观察到这两个星系以外的任何东西，尽管JWST有这个能力， ”Leja说。“这可能意味着在那段时间之前星系并没有形成，我们不会在更远的地方发现任何东西。或者这可能意味着我们的小窗口不够幸运。”
这项工作是提交给美国国家航空航天局的一项成功提案的结果，该提案建议如何在第一年的科学运作中使用JWST 。在前三个周期的提交中，美国宇航局收到的建议比望远镜上可用的观测时间多了4到10倍，不得不选择其中的一小部分。
“当我们的提议被接受时，我们的团队非常兴奋，也有点惊讶，”Leja说。“这涉及到协调、人类的快速行动以及望远镜两次指向同一个物体，这对第一年使用的望远镜来说是很高的要求。压力很大，因为我们只有几个月的时间来确定跟进的对象。但是JWST是为了发现第一批星系而建造的，现在做这件事是如此令人兴奋。”
除了宾夕法尼亚州立大学，该团队还包括来自德克萨斯大学奥斯汀分校、澳大利亚Swinburne技术大学、以色列内盖夫本古里安大学、耶鲁大学、匹兹堡大学、法国索邦大学、丹麦哥本哈根大学、瑞士日内瓦大学、麻省大学、荷兰格罗宁根大学、普林斯顿大学、日本早稻田大学、塔夫茨大学和国家光学-红外天文学研究(NOIR)实验室的研究人员。