与其他太空望远镜相比,JWST测量遥远星系的准确性提高了5-10倍

摘要:

2021年12月25日,经过多年的期待,詹姆斯-韦伯太空望远镜(JWST)终于发射到太空。在随后的6个月里,这个首要的下一代天文台展开了它的遮阳板、部署了它的主镜和副镜、对准了它的镜段并飞到了它目前在地球-太阳拉格朗日2(L2)_点的位置。

2022年7月12日,第一批图像被发布并呈现出最详细的宇宙视图。此后不久,NASA发布了一张有史以来观察到的最遥远的星系的图像。

根据一个国际科学家团队的新研究,JWST将使天文学家能够获得早期星系的精确质量测量。通过使用来自詹姆斯-韦伯的近红外相机(NIRCam)的数据,这些数据是通过GLASS-JWST-Early Release Science(GLASS-ERT)计划提供,该团队获得了一些遥远星系的质量估计值,这比以前的测量值要精确许多倍。他们的发现说明了韦伯将如何彻底改变我们对宇宙中最早的星系如何成长和演变的理解。

正如科学家们在他们的研究中指出的那样,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。它测量的是一个星系中的恒星总量,这些恒星通过气体和尘埃转化为新的恒星而不断增加。因此,它是追踪一个星系成长的最直接手段。通过比较对宇宙中最古老的星系的观测,天文学家可以研究星系是如何演变的。

然而不幸的是,对于天体物理学家来说,获得这些早期星系的精确测量一直是一个难题。通常情况下,天文学家会进行质光比(M/L)测量--即用一个星系产生的光来估计其中恒星的总质量--而不是在逐个星源的基础上计算恒星的质量。迄今为止,哈勃太空望远镜对最遥远的星系--如GN-z11,它形成于约135亿年前--进行的研究仅限于紫外线(UV)光谱。

这是因为来自这些古老星系的光线在到达我们这里时经历了明显的红移。这意味着,当光线穿过时空时,由于宇宙的膨胀,其波长变长,有效地将其转向光谱的红色端。对于红移值(z)为7或更高的星系--距离为13.46光年或更远--大部分光线将被转移到只在光谱的红外部分可见。

Santini通过电子邮件解释称:“星系中的大部分恒星,那些对其恒星质量贡献最大的恒星,都是以光学-近红外(NIR)波长发射的......当光线从一个遥远的星系到达我们的望远镜时,其恒星所发射的光线已经不再是光学系统了。例如对于一个z=7的星系来说,最初在0.6微米处发出的光,到达我们的望远镜时的波长为4.8微米。红移越高(即星系越远),这种效应就越强。这意味着我们需要红外探测器来测量星系的恒星质量(其大部分恒星发出的光是哈勃太空望远镜所不能及的)。在JWST出现之前,我们唯一的红外望远镜是斯皮策太空望远镜,几年前被解雇。然而它的85厘米镜面跟JWST的6.5米镜面无法相比。大多数遥远的星系也是斯皮策望不到的:由于其有限的灵敏度和角度分辨率,它们在其图像上没有被探测到(或受到高噪音的影响)。”

此外,以前的调查可能会错过很大一部分本质上是红色的星系,这些星系富含灰尘(遮挡光线),在紫外光谱中很暗。因此,以前对早期宇宙的宇宙恒星质量密度的估计可能会有六倍的偏差。但由于其先进的红外仪器套件和无与伦比的灵敏度,JWST准备为研究宇宙中最古老和最微弱的星系打开“一扇新的窗口”。正如Santini所言,韦伯将首次实现对最远距离的星系质量的精确测量。

Santini和她的国际研究团队在研究中依靠NIRCam在2022年6月28日至29日获得的图像作为其第一组观测的一部分。然后,他们通过探测紫外线发射和红移光测量了21个遥远星系的恒星质量(其红移范围从6.7到12.3)。正如Santini所指出的,这使他们能够避免过去调查中的巨大推断和不确定性并将其质量测量的准确性提高了5到10倍。

这些结果则都是最早的詹姆斯-韦伯观测中出现的越来越多的科学研究的一部分,这表明这项任务将非常关键。在这种情况下,对星系中的恒星质量提供更严格限制的估计的能力将极大地帮助从事最大和最长尺度的宇宙研究的天文学家。

Santini说道:“主要的含义是,以前关于星系中质量增长过程的结果可能受到重大系统性的影响。在我们的工作中,我们评估了,如影响宇宙恒星质量密度的系统不确定性水平。后者描述了宇宙中星系作为时间的函数的全球增长情况。它在早期纪元的评估受制于不同工作的巨大差异。我们发现,由标准质量比的假设导致的系统不确定性可以高达几倍,跟我们旨在达到的精度水平相比,绝对是太大了,它至少可以部分地解释文献结果的不匹配。”

截止到目前,韦伯已经通过捕捉最清晰和最详细的宇宙图像来证明其光学能力,这些图像已经导致了新的发现。它的光谱仪已经获得了来自一颗遥远的系外行星的光谱,展示了它将如何协助确定系外行星大气层的特征,另外还确定了它们是否真正“适合居住”。这项最新的研究表明,它还将在确定宇宙中最早的星系的特征、它们后来是如何演变的及暗物质和暗能量可能发挥的作用方面发挥关键作用。

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