天天通訊！詹姆斯·韋伯望遠鏡比之前遙遠星系勘測精度提升5-10倍

利用詹姆斯·韋伯近紅外相機(NIRCam)的勘測數(shù)據(jù)，研究小組獲得了部分遙遠星系的質量評估，比之前測量精度高許多倍。

新浪科技訊 北京時間8月17日上午消息，據(jù)報道，經過多年的期待，2021年12月25日，美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)終于發(fā)射升空！在接下來的6個月里，這個全球最先進的新一代太空望遠鏡展開了遮陽罩，部署了主鏡和副鏡，并調整了鏡面，飛抵當前的太空位置——地球-太陽拉格朗日2點(L2)。2022年7月12日，該望遠鏡首批拍攝圖像公布，展示出迄今宇宙最詳細的圖像，不久，美國宇航局還發(fā)布了一張至今觀測到最遙遠星系圖像，其歷史非常久遠，形成于大爆炸之后3億年。

(資料圖片)

依據(jù)一支國際科學家團隊的最新研究，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡可使天文學家獲得早期星系精確質量測量，利用詹姆斯·韋伯近紅外相機(NIRCam)的勘測數(shù)據(jù)，研究小組獲得了部分遙遠星系的質量評估，比之前測量精度高許多倍。該發(fā)現(xiàn)意味著詹姆斯·韋伯太空望遠鏡能夠徹底改變宇宙最早期星系成長進化的傳統(tǒng)認知。

據(jù)悉，該國際研究團隊(負責人是意大利羅馬天文觀測臺帕奧拉·桑蒂尼(Paola Santini))擁有來自全球各地的資深專家，成員來自于：意大利國家天體物理研究所(INAF)、澳大利亞ASTRO 3D合作組織、泰國國家天文研究所(ARIT)、卡夫利粒子天體物理和宇宙研究所(KIPAC)、宇宙黎明中心(DAWN)、尼爾斯·玻爾研究所、卡內基科學研究所、美國加州理工學院紅外處理和分析中心、以及美國、歐洲、澳大利亞和亞洲的大學機構和研究所。

正如科學家在研究中所提出的那樣，恒星質量是理解星系形成和演變最重要的物理屬性之一，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡能測量星系中恒星總質量，恒星總質量通過氣體和塵埃轉化為新恒星而不斷增加，因此，這是追蹤分析星系成長的最直接手段。通過比較對宇宙最古老星系的觀測結果，天文學家可以研究分析星系是如何演變進化的。

該圖是比較天體釋放光線和觀測到紅移光線的光譜圖。在宇宙膨脹時期，光線會延伸至較低頻率或者光譜紅色部分。

不幸的是，獲得早期星系精確測量數(shù)據(jù)一直是天體物理學家面臨的棘手問題，通常情況下，天文學家進行質量-光比測量(M/L)，使用星系產生的光來評估星系內恒星總質量，而不是在源到源的基礎上計算恒星質量。到目前為止，哈勃太空望遠鏡對宇宙最遙遠星系進行的勘測研究僅限于紫外光譜，例如：GN-z11星系，它形成于135億年前，是大熊座發(fā)現(xiàn)的一個高紅移星系，也是可觀測宇宙中最古老、最遙遠的已知星系。

由于來自這些古老星系的光線到達地球時會發(fā)生顯著紅移，則意味著當光線穿過時空時，受宇宙膨脹因素影響，光線波長變長，有效地使它向光譜的紅端移動。對于紅移值(z)為7或者更高的星系(距離為13.46光年或者更遠)，大部分光將被移到紅外光譜可見部分。正如桑蒂尼通過電子郵件向《今日宇宙》網站解釋的那樣：

“星系中大部分恒星，尤其是那些較大質量的恒星，它們釋放近紅外波長(NIR)……從遙遠星系傳播到我們的望遠鏡所需時間，其恒星釋放的光線不僅是光學領域范疇的事情，例如：對于紅移值z=7的星系，最初釋放0.6微米波長的光到達我們的望遠鏡時，波長將達到4.8微米，紅移值越高(即星系距離越遙遠)，這種效應就越明顯。”

這意味著我們需要紅外探測器來測量星系恒星的質量(大部分恒星釋放的光線是哈勃太空望遠鏡無法觀測到的)，在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡出現(xiàn)之前，我們唯一使用的紅外望遠鏡是斯皮策太空望遠鏡，但它在幾年前就被廢棄了。然而，斯皮策太空望遠鏡直徑85厘米鏡面無法與詹姆斯·韋伯太空望遠鏡直徑6.5米鏡面相比，大多數(shù)遙遠星系也不在斯皮策望遠鏡的勘測范圍內，由于其有限的靈敏度和角度分辨率，無法探測到遙遠星系，并且易受高水平宇宙背景噪音的影響。

此外，之前的宇宙勘測調查很可能漏掉了紅色星系中的很大一部分，這些星系富含塵埃(可使光線模糊)，它們在紫外光譜中很微弱，因此，之前對宇宙早期恒星質量密度的估計會有6倍誤差。但基于先進的紅外勘測設備和無與倫比的靈敏度，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將開啟“一個新窗口”，用于研究宇宙中最古老和最微弱的星系。桑蒂尼指出，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將首次實現(xiàn)對最遙遠星系質量的精準測量。

由于測量恒星質量受到一定限制，在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發(fā)射之前，天文學家最常用的一種方法是通過假設平均質量與紫外線光的比率，將哈勃太空望遠鏡能夠測量到的紫外線數(shù)據(jù)轉移到恒星質量評估數(shù)值。這種質量-光比關系是我們基于少量且不確定的測量來校準的，它僅代表那些更易于觀測到的星系群(年輕、無塵埃的星系)。因此，恒星質量測量存在很大不確定性，無論是直接測量，還是通過紫外線推測恒星質量。

在他們的研究中，桑蒂尼和她帶領的國際研究團隊依賴于詹姆斯·韋伯太空望遠鏡近紅外相機(NIRCam)的勘測數(shù)據(jù)，在2022年6月28-29日獲得了太空勘測圖像，這是第一組觀測數(shù)據(jù)，之后他們通過探測21個遙遠星系的紫外線輻射和紅移值數(shù)據(jù)(紅移值從6.7到12.3)，桑蒂尼強調稱，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡顯著提高了觀測效果，避免了之前觀測中的推斷和不確定性，可使測量準確性提高5-10倍。

她說：“通過比較恒量質量和紫外線(使用最藍的NIRCam波段測量)，我們發(fā)現(xiàn)質量-光比測量(M/L)遠不及單個平均值，相反，對于給定的光度，它跨越了大約兩個數(shù)量級，從物理學角度來看，該發(fā)現(xiàn)表明，早期星系種群在很大程度上是異質的，星系表現(xiàn)出各種各樣的實際狀況。”

桑蒂尼說：“這僅是近年來越來越多天文研究的一部分，但這些研究表明，詹姆斯·韋伯任務非常關鍵，它能提供星系中恒星質量更嚴格的評估數(shù)據(jù)，將極大地幫助天文學家在最大、最長尺度上研究宇宙。我們發(fā)現(xiàn)從假設的質量-光線推斷模式產生的系統(tǒng)不確定性可能高達幾倍，與我們希望達到的宇宙精度水平相差甚遠，然而基于詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，我們將獲得更精準的恒星質量數(shù)據(jù)。”

圖中是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡拍攝的第一張照片。這是迄今為止拍攝到宇宙最遙遠、最清晰的紅外圖像，該圖像被命名為“韋伯的第一張深空照片”，拍攝到星系團SMACS 0723的詳細狀況。

目前，該望遠鏡已通過捕捉最清晰、最詳細的宇宙圖像，證明了它的光學勘測能力，并獲得令人震驚的最新天文發(fā)現(xiàn)，它的光譜儀能勘測遙遠系外行星的光譜，表明它將有助于科學家描繪系外行星的大氣層狀況，并確定它們是否真正具備“宜居條件”。這項最新研究表明，它還將在確定宇宙最早星系特征、星系如何演變進化，以及暗物質和暗能量對于宇宙發(fā)展是否發(fā)揮關鍵作用。