詹姆斯·韦伯太空望远镜的近红外相机(NIRCam)已经证实了迄今为止观测到的第二和第四遥远的星系(揭开z-13和揭开z-12)。这些星系位于潘多拉星系团(Abell 2744)，这里显示的是近红外波长的光，已经被转换成可见光的颜色。主星团图像的尺度以弧秒标记，弧秒是天空中角距离的度量。黑白图像上的圆圈显示了JWST上NIRCam-F277W滤光带中的星系，表明孔径大小为0.32弧秒。图片来源:集群图片:NASA, reveal (Bezanson et al.， DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026)插图:NASA, reveal (Wang et al.， 2023)构图:Dani Zemba/Penn State
对潘多拉星团的后续观测证实了迄今为止观测到的第二和第四遥远的星系，它们比其他距离如此遥远的星系都要大。
利用美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的数据，在潘多拉星团(Abell 2744)的空间区域发现了迄今为止观测到的第二和第四遥远的星系。根据该区域的深场图像(见下图)，由宾夕法尼亚州立大学的研究人员领导的一个国际小组证实了这些古老星系的距离，并利用JWST的新的光谱数据(电磁波谱上发射的光的信息)推断了它们的性质。在近330亿光年之外，这些令人难以置信的遥远星系为我们了解最早的星系可能是如何形成的提供了洞见。
独特的外观和意义
根据研究人员的说法，与在这个距离确认的其他星系在图像中显示为红点不同，新星系更大，看起来像花生和蓬松的球。一篇描述这些星系的论文今天(11月13日)发表在《天体物理学杂志通讯》上。
天文学家估计，在这张由美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的潘多拉星团深空图像中，有5万个近红外光源。它们发出的光经过不同的距离到达望远镜的探测器，在一张图像中代表了宇宙的浩瀚。来源:科学:NASA, ESA, CSA, Ivo Labbe(斯威本大学)，Rachel Bezanson(匹兹堡大学)，图像处理:Alyssa Pagan (STScI)
“我们对早期宇宙所知甚少，了解那个时代并测试我们早期星系形成和成长理论的唯一方法就是与这些非常遥远的星系一起，”第一作者王炳杰说，他是宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院的博士后学者，也是JWST UNCOVER(再电离时代之前的超深NIRSpec和NIRCam观测)团队的成员。“在我们进行分析之前，我们只知道在这个极端距离附近确认了三个星系。研究这些新星系及其特性揭示了早期宇宙中星系的多样性，以及我们可以从中学到多少东西。”
对早期宇宙的洞察
因为来自这些星系的光必须经过很长时间才能到达地球，所以它提供了一个了解过去的窗口。研究小组估计，JWST探测到的光是在宇宙大约3.3亿年的时候由两个星系发出的，经过大约134亿光年的旅行才到达JWST。但是，研究人员说，由于宇宙在这段时间内的膨胀，这些星系目前离地球更近330亿光年。
“这些星系发出的光很古老，大约是地球的三倍，”宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学助理教授乔尔·莱贾(Joel Leja)说。“这些早期星系就像灯塔，光线穿过构成早期宇宙的非常薄的氢气。只有通过它们的光，我们才能开始理解支配着宇宙黎明附近星系的奇异物理学。”
利用詹姆斯·韦伯太空望远镜，科学家们在潘多拉星系团中发现了两个遥远的星系，为早期宇宙提供了新的见解。这些星系在大小和外观上都很独特，挑战了我们对宇宙初期星系形成的理解。来源:美国国家航空航天局
值得注意的是，这两个星系比之前位于这些极端距离的三个星系要大得多。其中一颗直径约2000光年，至少是它的6倍大。相比之下，银河系的直径大约是10万光年，但是，王说，早期的宇宙被认为是非常压缩的，所以星系的大小是令人惊讶的。
“以前在这些距离发现的星系是点源——它们在我们的图像中显示为一个点，”王说。“但我们的一个看起来很长，几乎像一颗花生，另一个看起来像一个蓬松的球。目前还不清楚大小的差异是由于恒星的形成方式还是它们形成后发生了什么，但星系特性的多样性真的很有趣。这些早期星系预计是由类似的物质形成的，但它们已经显示出彼此非常不同的迹象。”
研究方法
这两个星系是JWST在2022年(科学运行的第一年)拍摄的首批深空图像之一中探测到的潘多拉星团中的6万个光源之一。选择这一区域的部分原因是它位于几个星系团的后面，这些星系团产生了一种自然的放大效应，称为引力透镜。星系团的总质量的引力扭曲了它周围的空间，聚焦和放大了任何经过附近的光，并提供了星系团背后的放大视图。
在几个月的时间里，“揭开”团队将6万个光源缩小到700个候选光源，以进行后续研究，他们认为其中8个可能是第一批星系。然后，JWST再次指向潘多拉星团，记录下候选者的光谱——一种详细记录每个波长发出的光量的指纹。
Leja说:“几个不同的团队正在使用不同的方法来寻找这些古老的星系，每种方法都有自己的优缺点。”“事实上，我们在太空中指向这个巨大的放大镜，这给了我们一个非常深的窗口，但这是一个非常小的窗口，所以我们是在孤注一掷。有几个候选是不确定的，至少有一个是错误的——它是一个更接近的东西，模仿了一个遥远的星系。但我们很幸运，其中两个是这些古老的星系。这是不可思议的。”
性质及含义
研究人员还使用了详细的模型来推断这些早期星系发出JWST探测到的光时的特性。正如研究人员所预料的那样，这两个星系都很年轻，在它们的组成中几乎没有金属，并且正在迅速增长并积极形成恒星。
Leja说:“最初的元素是在早期恒星的核心中通过聚变过程形成的。”“这些早期星系没有像金属这样的重元素是有道理的，因为它们是最早制造这些重元素的工厂之一。当然，它们必须是年轻的，并且正在形成恒星，才能成为第一批星系，但确认这些特性是对我们模型的重要基本测试，有助于确认大爆炸理论的整个范式。”
研究人员指出，除了引力透镜，JWST强大的红外仪器应该能够探测到更远的星系，如果它们存在的话。
“我们有一个非常小的窗口进入这个区域，我们没有观察到这两个星系之外的任何东西，即使JWST有能力，”Leja说。“这可能意味着星系在那之前没有形成，我们不会在更远的地方找到任何东西。”或者这可能意味着我们的运气不够好，我们的窗口太小了。”
这项工作是向美国宇航局提交的一份成功提案的结果，该提案建议如何在第一年的科学操作中使用JWST。在前三个提交周期中，NASA收到的建议比望远镜所允许的观测时间多4到10倍，并且只能选择其中的一小部分。
Leja说:“当我们的提案被接受时，我们的团队非常兴奋，也有点惊讶。”“它涉及协调，快速的人类行动，以及望远镜两次指向同一物体，这对第一年的望远镜来说是很多要求。”压力很大，因为我们只有几个月的时间来确定后续研究的对象。但JWST是为了寻找这些第一批星系而建造的，现在能这样做真是太令人兴奋了。”
参考:“发现:作者:王bingjie，， Seiji Fujimoto, Ivo labb
除了宾夕法尼亚州立大学，该团队还包括来自德克萨斯大学奥斯汀分校、澳大利亚斯威本理工大学、以色列内盖夫本古里安大学、耶鲁大学、匹兹堡大学、法国索邦大学、丹麦哥本哈根大学、瑞士日内瓦大学、马萨诸塞大学、荷兰格罗宁根大学、普林斯顿大学、日本早稻田大学、塔夫茨大学和国家光学红外天文学研究(NOIR)实验室。
这项工作得到了美国国家航空航天局、美国-以色列两国科学基金会、美国国家科学基金会、以色列科技部、法国国家空间研究中心、法国国家地球科学和天文学研究所、科学进步研究公司、荷兰研究理事会、欧盟委员会和格罗宁根大学共同基金罗莎琳德·富兰克林项目的支持。日本国家天文台和NOIR实验室。分享推特reddit电子邮件分享
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