将韦伯推向极限可能揭示了最早的星系

由于詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST） 开始科学行动，天文学家已经观测到 130 多亿年前存在的星系。正是在这段时期，被称为”宇宙黑暗时代“，最早的恒星和星系形成于 2 亿到 10 亿年之后Big Bang.

不幸的是，这一时期的光仅限于大爆炸引起的遗迹辐射——宇宙微波背景（CMB） – 以及恒星辐射对中性氢再电离释放的光子。

以前的天文台，例如古老的哈 勃和斯皮策太空望远镜由于红外 （IR） 灵敏度有限，在此期间无法观测到星系。但多亏了韦伯先进的红外仪器、日冕仪和隔热罩，黑暗时代的帷幕终于拉开了。

在最近的研究，一个国际科学家团队从大爆炸后仅几亿年存在的星系中搜索了韦伯的档案数据，将韦伯的想象能力推向了极限。

该研究由马可·卡斯特拉诺，来自国家天体物理研究所的罗马天文台（INAF-OAR）。“ 来自印度国家橄榄球联合会 （INAF） 的同事也加入了他的行列。国家光学红外天文研究实验室（NOIRLab） 中，该安达卢西亚天文研究所（IAA-CSIC） 中，该哈佛和史密森尼天体物理中心（CfA） 中，该太空望远镜科学研究所（STScI）、NASA 戈达德太空飞行中心以及多所大学和研究所。

自韦伯首次投入使用以来，它一直在观测 130 多亿年前存在的星系。其中一些早期星系的图像包含在韦伯早期发布观测 （ERO） 中，其中包括”小红点“结果是早期活跃的银河系核（又名类星体）。

在韦伯望远镜之前，天文学家能够分辨出存在于红移~10 （大爆炸后 ~5 亿年），使用哈勃和斯皮策，尽管灵敏度要低得多。

但正如卡斯特拉诺通过电子邮件告诉《今日宇宙》的那样，韦伯望远镜的更强灵敏度为星系形成和演化的第一阶段打开了一扇新窗口：

“JWST 已经发现了数十种红移高达z-14.2（当前纪录保持者，相当于 BB 后的 ~300 Myr）。JWST 能够对其物理性质进行详细研究，包括其气体的化学成分。

“在众多令人兴奋的结果中，我想说 JWST 获得的两个结果需要强调：BB 之后 500-300 Myr 的明亮星系的高丰度，以及前 10 亿年中大量微弱的 AGN。”

在此期间发现的星系数量及其表观亮度让天文学家感到惊讶，因为它们与已建立的宇宙学模型处于“紧张”状态。

对于超大质量也是如此黑洞（SMBHs） 在此期间观察到的，比宇宙学模型预测的要大。

在这两种情况下，这些模型都表明，自大爆炸以来，没有足够的时间形成如此多的明亮星系，也没有足够的时间让 SMBH 变得如此之大。

Castellano 说，前一个发现是他研究的重点：

“自从第一次观测以来，JWST 已经在z>9 具有明亮的紫外线发射，远高于理论模型或先前观测的预测值。

“在过去的 3 年里，已经进行了几次理论尝试来解释这种明亮星系的”过剩“，要么是由于非常低的尘埃衰减，要么是由于高恒星形成效率，要么是由于贫金属恒星的发射或吸积对超大质量黑洞的贡献，等等。

“寻找红移高于迄今为止探索的星系以测试这些理论模型的预测至关重要。”

根据他们的研究，该团队查阅了 JWST 和 HST 光度测量数据ASTRODEEP-JWST 产品目录并分析了构成它的七项调查。

这包括宇宙演化早期发布科学调查（CEERS） 中，字段由Great Observatories Origins Deep Survey-North（商品-N） 和GOODS-South （南）调查第一次再电离纪元光谱完成观测（FRESCO） 中，该下一代深层星系外探索公众（NGDEEP） 活动，坎德尔,玻璃-JWST等。

如前所述，该团队在这些光度数据源中搜索了红移值为z= 15-30 的他们选择的候选者是根据他们的光谱能量分布和莱曼断裂的形状来选择的。

后一种技术涉及通过近红外和紫外线 （UV） 滤光片观察高红移星系，因为这些星系的辐射几乎完全被周围的中性气体吸收。

正如 Castellano 所解释的那样，这带来了许多挑战：

“一方面，物体变得更暗，并且在较少数量的光度波段中被检测到，这使得对其光谱形状的限制变得不那么重要。另一方面，越来越明显的是，在较低的红移下，星系受到污染的风险更高。在使用光度信息寻找稀有的遥远星系时，样品污染始终是一个问题，但对于 z>15 样品，这一问题会因新类别的特征不佳的低/中红移天体进入选择标准而加剧。

“这些天体的光谱能量分布通常与z>15星系相似，因为它们非常'红'，也就是说，它们的发射波长超过2微米时急剧增加，因为它们的恒星光被尘埃极度衰减，或者因为它们由古老的恒星种群主导。在一些已知的情况下，它们的光度点与 z>15 星系的光度点相同，因为红色连续发射与极强的发射线相结合，提高了一些观察到的滤光片中的通量。

目前，天文学家只能识别出几个红移值为z= 15 或更高。尽管这些星系的紫外静止帧发射在韦伯近红外相机 （NIRCam） 的光谱覆盖范围内。

尽管如此，打破z= 15 屏障对于了解早期宇宙中第一批恒星和星系形成的星系演化至关重要。这些信息将有助于解决当前理论模型和观测之间的紧张关系。

总体而言，该团队从 ASTRODEEP-JWST 目录中选择了 10 个天体，这些天体的颜色与z= 15 到 20。然而，正如 Castellano 解释的那样，对这些来源的分析再次证明，研究这些红移的天体极具挑战性。

“它们确实是可信的高红移候选者，但它们也与稀有星系群在较低红移下的预期颜色兼容，”他说。“特别是，如上所述，它们可能是具有强烈发射线的尘埃星系，或者是古老的、被动演化的星系。”

例如，已经观察到其中一个候选者与 Webb 的近红外光谱仪（NIRSpec） 作为CANDELS-面棱镜再电离历程巡天（刺山柑）。

这个星系的恒星形成速率很高，红移z= 6.56 （~132 亿年），但被尘埃高度衰减，使其看起来更红。然而，他们研究中的其余候选人仍然有潜力z~15-20 名值得进一步研究的候选人：

如果我们假设它们都是位于 z>15 的星系，那么其含义就非常有趣了。它们的数量意味着在大爆炸后会有大量 2-300 Myr 的明亮星系，这比理论模型的预测要高。事实上，即使这些天体中只有一小部分的光谱确认，也意味着与理论预测存在很大的紧张关系。

更重要的是，该团队的研究可能对 130 多亿年前存在的尘埃星系的研究产生影响。就像极高红移的星系一样，位于z= 4 到 7（12.5 到 133 亿年）知之甚少。

这些星系由低质量尘埃恒星形成星系和低质量被动星系组成，与这个时代的明亮紫外和低尘埃衰减星系相比，它们是罕见的。对这些候选者进行进一步研究可能会揭示更多关于宇宙历史早期的信息。

与此同时，Castellano 和他的团队强调需要对红移值z= 15 或更多：

对被选为潜在天体进行光谱跟踪至关重要z>15 个星系。确认它们是真正的高红移星系，将对我们理解星系演化的最早阶段具有重大意义。

“相反，如果我们发现它们都是低红移的 ”闯入者“，我们将能够了解在中间红移时鲜为人知的尘埃星系和被动星系群，我们只能多亏了JWST才能发现和研究这些星系......我们开始了解如何利用 JWST 来搜索这些极其遥远的星系，这很有挑战性，但在大爆炸后仅找到 100-200 Myr 的来源是 JWST 能力所能及的。

他们最近的论文预印本在线出现正在审查以在该期刊上发表天文学与天体物理学.

本文最初由今日宇宙.阅读原创文章.

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