来自詹姆斯韦伯太空望远镜的“婴儿银河系”最重要的教训

因为引力透镜的效应萤火虫火花星系才被发现。然而像这些一样的星系带给我们一个可见的宇宙。

STARTS WITH A BANG — DECEMBER 16, 2024

Ethan Siegel

用詹姆斯韦伯太空望远镜观测到的萤火虫火花星系（左）揭示十个被引力透镜拉伸和放大的突发星团。通过一个前景镜头映射的创造原始星系（中间）的重建被弄成，揭示一个类似于一个现代银河系一样的前体星系（右）。Credits: NASA, ESA, CSA, STScI, Chris Willott (NRC-Canada), Lamiya Mowla (Wellesley College), Kartheik Iyer (Columbia) (left); NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI) (mid); ESA/Hubble & NASA (right)

关键要点

•在银河系内生活的一个大难题是我们如何形成和长大的：我们只有一个沿我们宇宙历史中现在138亿年幸存的东西的快照。

•然而，用如哈勃和詹姆斯韦伯太空望远镜天文台，我们能看回进非常早期的宇宙，有时得到一个来自引力透镜的放大“的自然资助”。

•随着萤火虫火花的新发现，我们正在看到一个潜在的类似于当它大约132亿年前首次形成时的银河系。这里是它教我们关于我们的早期宇宙历史的。

我们的宇宙如何变成它今天是的样子的？

由詹姆斯韦伯太空望远镜的近红外相机捕捉到的矮星系沃尔夫-伦德马克-梅洛特（WLM）的一部分。该区域展示位于沃尔夫-伦德马克-梅洛特内的一些恒星，距离约300万光年远，以及许多不同大小和距离的背景星系。当我们用詹姆斯韦伯太空望远镜的眼睛时甚至当我们在一个附近星系内看时宇宙忍不住揭示它自己。Credit: NASA, ESA, CSA, Kristen McQuinn (RU); Image processing: Zolt G. Levay (STScI)

在附近，现代星系只给我们一张单一的快照。

这张来自欧空局欧几里得使命的英仙座星系团的观望显示1000多个星系都一起聚集在约2.4亿光年外，在图像的背景部分有许多数万个星系是可识别的。虽然光学上，图像主要被质量最大、恒星最丰富的星系通知，但它们远被更小、更暗、低质量的甚至在附近极端难被探测到的星系超过。欧几里得的能力对映射出黑暗宇宙是至关重要的。Credit: ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, image processing by J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi, CC BY-SA 3.0 IGO

要了解宇宙历史，我们必须看远更远：回到时间中。

来自詹姆斯韦伯太空望远镜的GLASS早期释放科学计划中选择的55个星系跨越各种范围的红移和质量。这帮助教我们在宇宙时间/演化中在一个质量和阶段范围上要用什么形成星系，揭示许多非常大质量、非常早但看起来还没有很进化的星系。如果我们现在能看到它们，它们将总是可见的，这与消失的宇宙的神话一个对比。Credit: C. Jacobs, K. Glazebrook et al., arXiv:2208.06516, 2022

詹姆斯韦伯太空望远镜已经向我们显示了从来发现的最早的星系。

甚至从这个放大的JADES场的观望，也很难用肉眼挑出从来发现的最遥远的星系JADES-GS-z14-0。这个动画用一个绿色圆圈显示它的位置：用一个更亮、更蓝、更近的星系重叠。Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), P. Cargile (CfA); Animation: E. Siegel

但有一个问题：它只能看最亮的。

在顶部的插图框中，JADES-GS-z14-0被发现在一个更近、更亮、更蓝的星系后面（就在右侧）。只有通过有令人难以置信分辨率的光谱学的力量能够分离这两个来源，这个创纪录的遥远天体的性质能被确定。它的光从当宇宙只有2.85亿至2.9亿岁老时来到我们：刚好它目前年龄的2.1%。JADES-GS-z14-1就在它下面，来自当宇宙大约3亿岁老时。与大型现代日子星系相比，所有早期星系包含一个恒星的贫乏和有不规则形状、病态定义的形状。Credit: S. Carniani et al. (JADES collaboration), arXiv:2405.18485, 2024

这些星系如此早期起是好奇的丰富的。

当不仅来自恒星的光而且来自中心超大质量黑洞的光也被包括时，来自这些早期星系期望的额外亮度最终能被解释。为什么它们有它们做到的如此丰富的问题这仍旧与理论模型略不匹配的，仍然存在的。Credit: K. Chworowsky et al., Astronomical Journal, 2024

但它们是所有最大、最亮的星系的早期类似物。

在一个36倍变焦的水平上，欧几里得的第一幅拼图包含遥远但丰富的星系团Abell 3381，它特征一排类似于室女座星系团中的马尔卡里（Markarian）链的明亮星系。在现代星系团中质量最大、最明亮的星系是类似于被詹姆斯韦伯太空望远镜发现的大多数超遥远星系的；更谦虚的银河系一样类似物是更难来发现的。Credit: ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, CEA Paris-Saclay; Processing: J.-C. Cuillandre, E. Bertin, G. Anselmi

银河系一样的星系早期起源更暗并更难来发现。

 

与当今银河系可比较的星系是数量众多的，但更年轻与银河系一样的星系比我们今天看到的星系内在的是更小、更蓝和气体更丰富。随我们更远看回时间中更少的星系有盘和螺旋形状。随着时间，许多更小星系变得引力上束缚在一起，造成合并，但也成群和包含大量星系的星系团。Credit: NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale U.), S. Patel (Leiden U.), and the 3-D-HST Team

只有用引力透镜的自然增强早期的银河系类似物能被看到。

这八个非常微弱、低质量的星系在正常环境下甚至对詹姆斯韦伯太空望远镜在如此伟大的距离上将是不可见的。只有从引力透镜的强烈亮度增强，一种爱因斯坦广义相对论的效果这些星系毕竟被揭示。与詹姆斯韦伯太空望远镜在远距离发现的更常见、更明亮的星系不同，这些更小但更常见天体是我们现代银河系的更接近的早期类似物。Credit: H. Atek et al., Nature, 2024

2024年初，宇宙宝石弧被发现：总共只有几百万颗恒星。

这张图像显示宇宙宝石弧，一个明亮且高度放大的早期星系，来自大爆炸后仅4.6亿年，在一个詹姆斯韦伯太空望远镜彩色合成图像中。该星系被分辨为五个年轻的星团，位于刚好约240光年跨度内。Credit: A. Adamo et al., Nature, 2024

现在，甚至更详细的萤火虫火花星系出现在詹姆斯韦伯太空望远镜数据中。

在星系团MACS J1423的场内，一些延伸出去的弧线能被看到：透镜的背景星系的例子。一条这样的弧对应到萤火虫火化星系，在它内部有十个组成星团。附近，另外两个透镜的星系，分别相距6500光年和42000光年表明年轻的原星系正处在组装成一个更大、更现代星系的过程中。Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Chris Willott (NRC-Canada), Lamiya Mowla (Wellesley College), Kartheik Iyer (Columbia)

在内部，十个独立的星团就在现在正在爆发。

与轮廓线一道显示了指示在星团内透镜放大，萤火虫火花星系被显示在一个中央框中，还突出显示两个附近的伴星系。在这个弧内10个单独的对应到100000多个太阳质量的亮点出现。Credit: L. Mowla et al., Nature, 2024

它们的恒星范围从200万到800万岁老：在一个大约6亿岁老的宇宙中难以置信的年轻。

与现代银河系已经被重建形成历史（黑点/线）相比，萤火虫火花星系代表从来发现的最早、质量最低的类似。在它之内，十个新形成的星团统治它的光输出，展示突发恒星形成的有效性。这里的恒星密度是大的，但比那些2024年初发现的宇宙宝石弧中发现的星系推断的密度远更小。Credit: L. Mowla et al., Nature, 2024

恒星密度甚至超过那些现代球状星团的。

这个位于星系团SMACS 0723（被称为火花者（Sparkler））后面的富火花的透镜星系恰好正在赶上在一些它的巨大的球状星团内形成一个第二群恒星行动中的星系。在无关萤火虫火花星系内的亮点可能突出一个类似的突发恒星形成的例子。Credit: NASA, ESA, CSA, STScI; Annotation: E. Siegel

在大约100000光年内存在多个其他星系。

萤火虫火花星系及它的两个同伴（BF和NBF）表明突发恒星形成的一个历史，并指向宇宙历史的前5000万至1.5亿年内所有第一批恒星的形成历史。Credit: L. Mowla et al., Nature, 2024

总有一天它们都将合并来形成一个长大的、现代的、银河系一样的星系。

像这样的小早期婴儿星系为宇宙的再电离提供大部分（80+%）的紫外线光子。

在宇宙的前5.5亿年里，中性、封锁光的原子持续在这些星系之间的空间中，继续所谓的宇宙黑暗时代。当这种物质坚持时，星光大程度上被吸收，不能穿透这种“雾”。一旦最后那个中性物质变得被再电离，大体由于来自大量小星团和早期星系发射的紫外线，星光能在宇宙中自由穿过，标志着再电离时代的结束。Credit: M. Alvarez, R. Kaehler, and T. Abel / chart by Big Think

    大多寂寞的星期一用图像、视觉和不超过200字告诉一个天文故事。

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