破纪录的银河系发现：韦伯太空望远镜一瞥宇宙曙光

这张来自美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜（又称韦伯望远镜或 JWST）的红外图像是由 NIRCam（近红外相机）为 JWST 高级深河外星系巡天计划（或 JADES）拍摄的。NIRCam的数据被用来确定哪些星系需要通过光谱观测进行进一步研究。其中一个星系JADES-GS-z14-0（如图所示）被确定为红移14.32（+0.08/-0.20），是目前已知最遥远星系的记录保持者。这相当于宇宙大爆炸后不到3亿年的时间。资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Brant Robertson（加州大学圣克鲁兹分校）、Ben Johnson（CfA）、Sandro Tacchella（剑桥大学）、Phill Cargile（CfA）

在过去的两年里，科学家们利用美国宇航局的詹姆斯-韦伯太空望远镜（又称韦伯望远镜或 JWST）探索了天文学家所说的宇宙黎明期--宇宙大爆炸后最初几亿年的时期，在这一时期诞生了第一批星系。这些星系提供了重要的洞察力，让我们了解宇宙在非常年轻的时候，气体、恒星和黑洞是如何变化的。

2023 年 10 月和 2024 年 1 月，一个国际天文学家小组利用韦伯望远镜观测星系，这是 JWST 高级深河外星系巡天（JADES）计划的一部分。利用韦伯望远镜的近红外摄谱仪（NIRSpec），他们获得了大爆炸后仅 2.9 亿年就观测到的一个创纪录星系的光谱。这相当于约 14 的红移，红移是衡量星系的光线被宇宙膨胀拉伸的程度的一个指标。

我们邀请了意大利比萨高等师范学院的斯特凡诺-卡尼亚尼（Stefano Carniani）和亚利桑那州图森市亚利桑那大学的凯文-海因莱恩（Kevin Hainline）为我们详细介绍这个源是如何被发现的，以及它的独特性质对星系形成的启示：

科学家们利用美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的近红外摄谱仪（NIRSpec）获取了遥远星系JADES-GS-z14-0的光谱，以精确测量其红移，从而确定其年龄。红移可以通过一个被称为莱曼-阿尔法断裂的临界波长的位置来确定。这个星系的历史可以追溯到宇宙大爆炸后不到3亿年。资料来源：NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted（STScI）、S. Carniani（Scuola Normale Superiore）、JADES Collaboration

高红移星系研究取得突破性进展

"韦伯望远镜上的仪器旨在发现和了解最早的星系，在作为 JWST 高级深河外星系巡天（JADES）一部分的第一年观测中，我们发现了大爆炸后最初 6.5 亿年的数百个候选星系。2023年初，我们在数据中发现了一个星系，它有强有力的证据表明它的红移超过了14，这让我们非常兴奋，但是这个星系源的一些特性让我们很警惕。

这个光源的亮度出乎我们的意料，这对于一个如此遥远的星系来说是不可能的，而且它距离另一个星系非常近，这两个星系似乎是一个更大天体的一部分。当我们在2023年10月作为JADES起源场的一部分再次观测这个源时，用韦伯更窄的NIRCam（近红外相机）滤镜获得的新成像数据更加指向高红移假说。我们知道我们需要一个光谱，因为无论我们了解到什么，都将具有巨大的科学意义，无论是作为韦伯研究早期宇宙的一个新的里程碑，还是作为一个中年星系的一个令人困惑的怪胎。

2024年1月，NIRSpec对这个名为JADES-GS-z14-0的星系进行了近10个小时的观测，当首次处理光谱时，有明确的证据表明这个星系的红移确实达到了14.32，打破了之前最远星系的记录（JADES-GS-z13-0的z=13.2）。鉴于这个星系源的神秘性，看到这个光谱让整个团队都感到无比兴奋。

对于我们的团队来说，这个发现不仅仅是一个新的距离记录；JADES-GS-z14-0最重要的一点是，在这个距离上，我们知道这个星系本质上一定非常明亮。从图像上看，这个光源的直径超过了1600光年，证明我们看到的光主要来自年轻恒星，而不是来自一个不断增长的超大质量黑洞附近的发射。这么多的星光意味着这个星系的质量是太阳的几亿倍！这就提出了一个问题：大自然是如何在不到3亿年的时间里创造出如此明亮、巨大和庞大的星系的呢？"

揭开古老之光的新启示

这些数据揭示了这个惊人星系的其他重要方面。我们看到这个星系的颜色并不像想象中那么蓝，这表明即使在非常早期的时候，一些光线也被尘埃染红了。来自 Steward 天文台和亚利桑那大学的 JADES 研究员 Jake Helton 还发现，JADES-GS-z14-0 被韦伯的中红外仪器（MIRI）以更长的波长探测到，考虑到它的距离，这是一项了不起的成就。中红外成像仪的观测覆盖了可见光范围内发射的光波长，而韦伯望远镜的近红外仪器对这些波长进行了红移。

杰克的分析表明，近红外成像观测所暗示的源亮度高于其他韦伯仪器的测量值，这表明该星系中存在强烈的电离气体发射，其形式为氢和氧的明亮发射线。在这个星系生命的早期就存在氧气是一个令人惊讶的现象，这表明在我们观测到这个星系之前，多代大质量恒星已经开始了它们的生命。

所有这些观测结果都告诉我们，JADES-GS-z14-0 并不像理论模型和计算机模拟所预测的那种存在于宇宙早期的星系。根据观测到的星系源亮度，我们可以预测它随着宇宙时间的推移可能会如何增长，而到目前为止，我们还没有从我们在巡天观测中观测到的其他数百个高红移星系中找到任何合适的类似物。

鉴于搜索发现 JADES-GS-z14-0 的天空区域相对较小，它的发现对我们在早期宇宙中看到的明亮星系的预测数量有着深远的影响。天文学家很可能会在未来的十年中利用韦伯望远镜发现许多这样的明亮星系，甚至可能是更早的星系。我们很高兴能看到宇宙黎明时存在的星系的非凡多样性。

编译来源：ScitechDaily