詹姆斯韦伯太空望远镜“被推到它的极限”来看从来最遥远的星系

(2024-11-26 11:36:24)

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詹姆斯韦伯太空望远镜“被推到它的极限”来看从来最遥远的星系

By Robert Lea

published 5 hours ago

James Webb Space Telescope

“我们正在进入一个完全的未知的领域并不能确保我们将发现的” 。

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如果詹姆斯韦伯太空望远镜可以放大它一个高度红移的星系就像它可能出现的一样。（插图）被詹姆斯韦伯太空望远镜识别的五个候选星系为詹姆斯韦伯太空望远镜银河系遗产红外中平面卓越勘测项目的一部分，这可能原来是从来见过的最早、最遥远的星系(Image credit: Robert Lea (created with Canva)/ Kokorev et al 2024)

詹姆斯韦伯太空望远镜有再次打破它自己的一项记录的潜力——如果科学家们是正确的，这艘开辟新途径的航天器可能已经瞥见了宇宙中最早的星系。

五个候选星系被位于如此遥远以致最远的星系被看到就像它是在大爆炸后2亿年一样。因此，来自这些星系的光已经旅行到地球大约136亿年。因为宇宙的膨胀这些星系现在应该位于一个惊人的340亿光年远。然而，要更清楚这些还没有一个被证实。

先于这一发现，作为詹姆斯韦伯太空望远镜银河系遗产红外中平面卓越勘测（GLIMPSE）项目的一部分做出的被这台强大的太空望远镜观测到的最遥远的星系是JADES-GS-z14-0。这是就像当宇宙大约2.8亿岁老时被看到的一样。

这些新星系将在它们被确认后正式命名，但将可能都有前缀“GLIMPSE”，参考发现了它们的勘测。根据我们目前的宇宙演化模型这些可能潜在的是最早来存在的可能的星系。

巴黎天体物理研究所研究员、发现小组成员哈基姆·阿特克告诉太空网站，“来估计这些星系的确切年龄并来确定它们何时形成仍然是相当挑战性的，但我们肯定的正在接近第一代星系，因为我们只剩下大约1.5亿年来形成这些星系”。

“最终，这些观测将在我们的宇宙模型中被允许的物理过程上放上严格的约束” 。

用来自爱因斯坦的帮助看红色

早期的星系如这五个新的候选星系被描述为“高红移”或“高z”星系。这是因为宇宙的膨胀造成这些星系发射的光的波长随着波长旅行被拉伸。因为更长（更拉伸出去）的波长被在电磁波谱的“红端”发现，这一过程被描述为红移。

光已经到达我们用的时间越长它经历的红移就越极端。一个星系已经体验的红移量表示为“z”，后跟着一个等号，然后一个无单位数。

按照拉斯科姆布勒斯（Las Cumbres）天文台，一个z=0.10的红移对应到已经旅行到地球13亿年的光，现在在地球130亿光年外。一个z=1的红移对应到已经旅行77亿年的光，作为宇宙的膨胀的结果现在是在101亿光年外。一个红移10对应到一个距离我们约266亿光年远的发射体，那个光已经旅行了132亿年。

由詹姆斯韦伯太空望远镜识别的五个候选星系是詹姆斯韦伯太空望远镜银河系遗产红外中平面卓越勘测项目的部分，这可能原来是从来见过的最早、最遥远的星系。 (Image credit: Kokorev, et al 2024)

詹姆斯韦伯太空望远镜现在常规的发现红移在z=10和z=14之间的星系。如上所述最早确认的星系JADES-GS-z14-0有一个为z=14.2的红移。然而，这五个新的潜在星系有为z=16到z=18的红移。

得克萨斯大学的团队负责人考考列夫（Vasily Kokorev）向太空网站解释说，发现这些星系延续詹姆斯韦伯太空望远镜在早期宇宙中发现以高红移或“高z”密集聚集更多高亮度星系的趋势，比2022年夏天耗资100亿美元的望远镜开始向地球发送回数据之前被预期的更多。

考考列夫说，“在同一场中发现如此多的高z星系意味着它们的数量密度比我们预期的更高，我们发现的天体也一致的拟合高z下明亮星系过丰富的新范式。这些星系也潜在的是我们迄今为止已经看到的最年轻星系的一些” 。

被美国宇航局/欧洲航天局哈勃太空望远镜在前沿场项目期间看到的星系团Abell S1063。(Image credit: M. Montes(University of New South Wales)/NASA/ESA)

这五个候选星系的发现已经是可能的，因为詹姆斯韦伯太空望远镜银河系遗产红外中平面卓越勘测观测是在天空中从来获得的最深的观测。来自詹姆斯韦伯太空望远镜银河系遗产红外中平面卓越勘测项目的第一个结果也得到了一个来自位于40亿光年外的Abell S1063星系团的帮助。这个星团能够来帮助要归功于一种被阿尔伯特·爱因斯坦在1915年首次预测的一种叫“引力透镜效应” 的现象。

1915年，爱因斯坦摆出了他的被称为“广义相对论” 的引力理论。该理论提示引力源自以质量弯曲空间和时间织造的天体（统一为一个叫“空时”的四维实体）。一个天体的质量越大，它在空时中创造的“凹”就越大，因此它的引力影响也越大。

当来自一个天体的光穿过一个被某些真正大质量的天体（如星系团）在它的到达我们基于地球的探测器途中造成的空时的极端曲率时它的路径也被弯曲。光线越接近这个透镜体经过，它的曲率就越极端。这意味着通过采取围绕一个引力透镜不同的路径，五个詹姆斯韦伯太空望远镜银河系遗产红外中平面卓越勘测星系能在不同的时间到达位于我们宇宙角落的詹姆斯韦伯太空望远镜等望远镜。

这种效应被称为引力透镜效应，因为它能放大背景天体的外观。詹姆斯韦伯太空望远镜一直用这一现象到更大效果来探测遥远的早期星系，没有引力透镜这些星系将是太微弱不能被看到。在这个案例中，Abell S1063星团是被詹姆斯韦伯太空望远镜银河系遗产红外中平面卓越勘测团队用的引力透镜。

一张图表显示被一个相当大质量的天体导致的引力透镜效应多翘曲空时的。 (Image credit: NASA, ESA & L. Calçada)

甚至用从来构建的最强大的太空望远镜和一个强大的宇宙现象，这些星系仍然太微弱不能被用足够的细节看到来识别它们的特征。

考考列夫说，“要真正挖掘它们的性质将需要光谱。此刻，我们知道这些天体内在的相当微弱，特别是与最近詹姆斯韦伯太空望远镜在高z发现的相比。这种模糊性与我们在如此小的体积内发现了多少结合可能关于宇宙中第一批星系的浮现有一些有趣的影响” 。

对阿特克，这一发现最令人着迷的方面之一是这些星系将进化来变得像詹姆斯韦伯太空望远镜在当宇宙3亿岁老至4亿岁老之间时瞥见的异常明亮的星系一样。

至于詹姆斯韦伯太空望远镜发现比这五个候选者更早的星系的可能性阿特克没有这是可能的信心。

阿特克继续说道，“詹姆斯韦伯太空望远镜有来发现甚至更早的星系的潜力，但这将依靠它们的数量、密度和光度，这些被联系到早期星系形成如何展开了。我们正在进入完全的未知的领域，不能确保我们将发现什么。这些来源中的许多被预计是如此微弱以致甚至用詹姆斯韦伯太空望远镜光谱确认将是极端的挑战性的或不可行的” 。