詹姆斯韦伯太空望远镜最终使明亮的早期星系有意义

    有如此多早期出乎意料的大亮度的星系，詹姆斯韦伯太空望远镜惊奇我们所有人。这里是科学家如使我们看到的有意义的。

STARTS WITH A BANG — OCTOBER 9, 2023

Ethan Siegel

一个星暴星系的艺术代表，用来自相对论环境中的反馈（FIRE）仿真的包括强烈的恒星形成爆发的数据。正如最近的研究已经表明的，被詹姆斯韦伯太空望远镜看到的明亮的早期星系可能不只是恒星质量的示踪剂，而是由巨星和超巨星产生的亮度以及在活跃的星爆星系中发现的超新星。Credit: Aaron M. Geller, Northwestern, CIERA + IT-RCDS

关键要点

    自从它睁开它的令人印象深刻的锐利的、高分辨率的红外眼睛以来，詹姆斯韦伯太空望远镜一直在看某些意想不到的东西：远更大数量的超过预期的明亮早期星系。

    尽管在由于清洁度和由于模拟分辨率一个早期大质量星系的低估詹姆斯微博太空望远镜的光学超常表现存在两种部分的解释，但仍然有太多明亮的早期星系。

    最后，一个第三个拼图已经到位：早期星系的亮度不只被质量确定，还被恒星形成的辉煌爆发确定。用所有这三个拼图，秘密可能被最终解决。

    从它的非常第一次瞥见遥远的宇宙，詹姆斯韦伯太空望远镜已经震惊了天文学家。

这个几乎完美对齐的图像合成显示星团SMACS 0723核的第一个詹姆斯韦伯太空望远镜深场观望并将它与更旧的哈勃观望对比。星系团SMACS 0723的詹姆斯微博太空望远镜图像是由詹姆斯韦伯太空望远镜拍摄的第一张全彩色多波长科学图像。有一段时间，从来拍摄的超遥远宇宙的最深图像，在它之内识别了87个超遥远的候选星系。它们等待光谱跟踪和确认来确定它们真的是多远。但甚至从这幅第一张图像，詹姆斯韦伯太空望远镜的观测提示了明亮的早期星系的数量和密度可能给天文学家摆出一个问题。Credit: NASA, ESA, CSA, and STScI; NASA/ESA/Hubble (STScI); composite by E. Siegel

    它的前所未有的深观望揭示了一个巨大的惊奇：明亮的星系。

这个最新的詹姆斯韦伯太空望远镜超深场的部分与哈勃的极限深场和超深场重叠，揭示一个对哈勃以前看不见的大量天体，甚至只有约4%的观测时间。詹姆斯微博太空望远镜就是这么好，但这些星系对宇宙学意味的仍在审查中。Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Christina Williams (NSF’s NOIRLab), Sandro Tacchella (Cambridge), Michael Maseda (UW-Madison); Processing: Joseph DePasquale (STScI); Animation: E. Siegel

    甚至在这些最早的时代，星系也太大、太亮、太多，不能解释。

覆盖哈勃的超深场部分的最新詹姆斯韦伯太空望远镜图像的这一部分揭示许多在简短的詹姆斯韦伯太空望远镜观望中是存在的但不在长时间曝光的哈勃观望中的遥远星系，手动强调的。其中一些可能真的是宇宙记录打破者。Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Christina Williams (NSF’s NOIRLab), Sandro Tacchella (Cambridge), Michael Maseda (UW-Madison); Processing: Joseph DePasquale (STScI); Animation: E. Siegel

    我们的基于ΛCDM宇宙学的宇宙预测没有期望詹姆斯韦伯太空望远镜看到了的。

美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜带我们超越任何先前天文台的限制，包括地球上所有的地面望远镜以及哈勃望远镜，已经向我们显示了宇宙中从来发现的最遥远的星系。如果我们为已经被重要的观测和测量的星系分配3D位置，我们能构建一个可视化的宇宙飞越，就像从詹姆斯韦伯太空望远镜的CEERS数据使我们能够在这里做的那样。在更远的距离上，紧凑的恒星形成星系是更常见的，在更近的距离，更弥漫、静止的星系是常规。Credits: Frank Summers (STScI), Greg Bacon (STScI), Joseph DePasquale (STScI), Leah Hustak (STScI), Joseph Olmsted (STScI), Alyssa Pagan (STScI); Science by: Steve Finkelstein (UT Austin), Rebecca Larson (RIT), Micaela Bagley (UT Austin)

    通常，星系的亮度追踪恒星质量：由于恒星星系的质量。

南方风车星系梅西耶83显示银河系的许多共同特征，包括螺旋臂和一个中央棒，以及马刺和小臂。粉红色区域展示由紫外光驱动的氢原子中的跃迁。因为这种光主要由炽热的蓝色恒星产生，只有新恒星形成是活跃的发生的地方出现这些粉红色特征。星系的整体亮度被直接关系到它的恒星质量：其中已经累积形成恒星的质量的量，现代星系的一个典型属性。Credit: CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA; Acknowledgment: M. Soraisam (University of Illinois); Image processing: Travis Rector (University of Alaska Anchorage), Mahdi Zamani & Davide de Martin

    一个潜在的罪魁祸首 “第一批恒星”，比现代恒星更亮、更蓝，还没有被发现。

最早形成的恒星和星系应该是种群三恒星的家园：仅由在热大爆炸期间首次形成的元素组成的恒星，其中特别的99.999999%是氢和氦。这样一个种群已经从未被看到或证实（尽管许多人已经用不充分、不确定的测量来表明他们有），但有些人希望詹姆斯韦伯太空望远镜将最终揭示它们。与此同时，我们已经看到的最遥远的星系都是非常明亮的、内在的是蓝色的，但不是相当原始的，仍然在热大爆炸开始后的几亿年来到我们，并且在它们内的任何地方没有令人信服的这些“第一批恒星”的证据。Credit: Pablo Carlos Budassi/Wikimedia Commons

    一个部分的解释来自詹姆斯韦伯太空望远镜的光学过性能。

这种球差仿真显示如果天体被过度聚焦（左）、聚焦不足（右）或完美的聚焦（中心），一道被正确校正波长（中行）对被要么略微过度校正（顶行）或校正不足（底行）一个点源如何被一个完美球面孔径看到。最右下角的图像显示哈勃原始WFPC相机中的原始球面像差。哈勃的主镜有球面像差问题;詹姆斯韦伯太空望远镜的镜头没有。Credit: Mdf at English Wikipedia; NASA, ESA and the COSTAR Team

    由于它的前所未有的清洁度，詹姆斯韦伯太空望远镜的原始光学元件返回比被预期的更明亮、更清晰的观望。

显示 2021年底，美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜在完成的那一刻被拍摄到在马里兰州格林贝尔特的洁净室检查中。仅仅几周后，它就成功的被发射和部署，导致天文学中一系列前所未有的进步。从镜头到仪器，它从头到尾都比任何天文台更干净。Credit: NASA/Desiree Stover

    一个第二个贡献源自仿真分辨率。

该图像显示对冷暗物质和模糊的暗物质模型的一系列结构形成的仿真：低分辨率、中分辨率和超高级/高分辨率。如果我们能足够精确的测量宇宙，我们能区分这些类型的模型之间，依匹配暗物质密度对一个现实星系分布而定，以及是否我们以足够高的精度仿真宇宙之网。Credit: M. Sipp et al., MNRAS (submitted), 2023

    我们能增加到高分辨率并聚焦在初始的、罕见的超密度上。

诞生就有一个典型或“正常”超密度的区域将增长它们中有丰富的结构，而过疏密度的“空无”区域将有更少的结构。然而，早期的小尺度结构被密度最高的峰值区域（此处标记为“罕见的峰值”）统治，这些区域增长最快的最大的，并且仅在最高分辨率仿真中详细可见。Credit: J. McCaffrey et al., Open Journal of Astrophysics (submitted), 2023

    这些因素结合起来解释了詹姆斯韦伯太空望远镜观测到的某些星系，但不是全部。

更早强调的三个仿真区域使用文艺复兴套件，导致在这三个区域（橙色，蓝色和绿色线）中星系质量应该是多大的预测。迄今为止用詹姆斯韦伯太空望远镜揭示的5个最早的星系，显示有误差棒，在观测区域内发生的概率约为“1”。如果它们真的罕见，它们会更亮、质量更大，如被约10^-3和约~10^-6似然曲线所示的。Credit: J. McCaffrey et al., Open Journal of Astrophysics (submitted), 2023

    仍然有太多明亮的星系过早被看到。

这个空间区域首先被哈勃望远镜标志性的观望，后来被詹姆斯微博太空望远镜，显示一个在两者之间切换的动画。詹姆斯韦伯太空望远镜揭示对哈勃望远镜不可见的更深的星系的气体特征和其他细节。虽然这些星系中有许多是非常遥远的，但物理上更小但比146亿光年更遥远的星系能出现比它们的更近、更小的对应星系更大。Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Christina Williams (NSF’s NOIRLab), Sandro Tacchella (Cambridge), Michael Maseda (UW-Madison); Processing: Joseph DePasquale (STScI); Animation: E. Siegel

    但一个因素可能最终解决这个难题：明亮的星爆。

当一个恒星形成区域变得如此之大以至于它延伸到整个星系时，该星系变成一个星爆星系。在这里，Henize 2-10被现实朝向这种状态演化，在许多为止中有年轻的恒星和许多全星系宽的有活跃的恒星幼儿园的地方。如果我们数星系内的恒星数量并将这个数字乘以太阳的光质量比，我们将低估总通量大约一个3比1的比例。Credit: NASA, ESA, Zachary Schutte (XGI), Amy Reines (XGI); Processing: Alyssa Pagan (STScI)

    星爆是短暂的恒星形成剪影，急剧的增强一个星系的亮度。

这个在狼蛛星云中心发现的年轻星团的中心浓度被称为R136，包含许多已知质量最大的恒星。其中包括R136a1，它的质量以约为260个太阳质量而来并比800多万个太阳更亮照耀着，使它成为已知最重的恒星。虽然更大量更冷、更红的恒星也存在，但最亮、最蓝的恒星统治这张照片。Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team

    除了正常的恒星，巨星、超巨星和超新星暂时的膨胀一个星系的光度。

当考虑到爆发度而不是在很长的时间间隔的完全的“平滑”时，在各种星系的亮度增强中毕竟红移能被看到在那里詹姆斯韦伯太空望远镜已经识别出异常大密度的明亮星系。这三个面板显示相对于其他仿真和光度詹姆斯微博太空望远镜数据在z = 8、10和12下的那些增强，对应于热大爆炸后650、480和3.8亿年时间。Credit: G. Sun et al., ApJ Letters, 2023

    在低质量星系中特别的，“爆发性”能解释詹姆斯韦伯太空望远镜看到的。

星系的数量密度作为一个红移的函数（左）和星系的静止框架紫外线光度（右）都能被用一个“爆发”场景解释，其中一个年轻星系的亮度暂时的被伴随一个星暴星系的巨星、超巨星和恒星灾难增强。Credit: G. Sun et al., ApJ Letters, 2023

    最后，仿真现在能重现詹姆斯韦伯太空望远镜的观测到的明亮早期星系的丰度。

这个JADES勘查的观望区域，以及在这个视野内验证的四个最遥远的星系。z = 13.20,12.63和11.58的三个星系都比之前的记录保持者GN-z11更远，GN-z11已被哈勃望远镜识别，现在已被詹姆斯韦伯太空望远镜光谱上证实红移为z = 10.6。如果其中一些星系，特别是JADES-GS-z11-0和JADES-GS-z12-0是星暴星系，它们的亮度能比如果它们是纯粹的恒星质量示踪剂更容易解释。Credit: NASA, ESA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb), Leah Hustak (STScI); Science credits: Brant Robertson (UC Santa Cruz), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (UOH), S. Carniani (Scuola Normale Superiore), JADES Collaboration

    大多静音的星期一以图像、视觉效果和不超过200字讲述一个天文故事。

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/JWST-sense-bright-early-galaxies/