天文学家利用韦伯太空望远镜发现新生星系

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的主要科学目标之一是观察我们认为第一批星系诞生的时代,并了解它们形成、演化和组成的细节。随着每次深入地回顾过去,它总是不断的刷新所见最遥远星系的记录,让天文学家收集足够的数据,从而对早期宇宙有更深入的了解。最初的星系应是未受重元素污染,但直到最近我们才有能力回顾如此遥远的过去。除了距离较远之外,光在太空中传播的时间越长,它就会变得越红。因此,直到韦伯的发射,我们才有了一台足够大且足够灵敏的望远镜来观察这么远的距离。

前景中的大星系名为LEDA 2046648,看到它的时间约在10亿年前,而其他大多数星系则位于更远的地方,因此被看到的时间也更久远。The big galaxy in the foreground is named LEDA 2046648, and is seen just over a billion years back in time, while most of the others lie even farther away, and hence are seen even further back in time. CREDIT: ESA/Webb, NASA & CSA, A. Martel.
图说:前景中的大星系名为LEDA 2046648,看到它的时间约在10亿年前,而其他大多数星系则位于更远的地方,因此被看到的时间也更久远。图片来源:ESA/Webb, NASA & CSA, A. Martel

  丹麦的研究团队相信他们用JWST观测到一些最早的星系,这些星系非常古老,甚至可能还在形成的过程中。一个星系比例已知的标准是,在过去120亿年的历史中,亦即宇宙年龄的5/6左右,星系与其重元素之间的比例保持不变。 但透过JWST天文学家发现最年轻的星系其恒星与重元素的比例却不同,因为它们还没有经历恒星形成和恒星死亡的循环,尚未有金属(比氢和氦更重的元素)得以丰富气体云。

元素-恒星质量图,星系越靠右,质量越大,越往上,含有的重元素越多。灰色图示代表当今宇宙中的星系,红色图示则显示新观测到的早期星系,这些星系的重元素显然比后来的星系少得多,但与蓝带(理论观测)预测大致符合。This plot shows the observed galaxies in an “element-stellar mass diagram”: The farther to the right a galaxy is, the more massive it is, and the farther up, the more heavy elements it contains. The gray icons represent galaxies in the present-day Universe, while the red show the new observations of early galaxies. These ones clearly have much less heavy elements than later galaxies, but agree roughly with theoretical predictions, indicated by the blue band. Credit: Kasper Elm Heintz, Peter Laursen.
图说:元素-恒星质量图,星系越靠右,质量越大,越往上,含有的重元素越多。灰色图示代表当今宇宙中的星系,红色图示则显示新观测到的早期星系,这些星系的重元素显然比后来的星系少得多,但与蓝带(理论观测)预测大致符合。图片来源:Kasper Elm Heintz, Peter Laursen

  在此研究中,天文学家观测了16个星系,其中一些是迄今为止观测到最早的星系。观测结果表明,这些星系的化学丰度是后来才形成的星系的1/4,它们的重元素含量明显低于其恒星质量和产生的新恒星数量所预期该有的数值。这表示早期的星系仍然与星系际介质密切相关,并受到原始气体持续的流入,而有效地稀释了它们的金属丰度。当重力将第一批气体聚集在一起时,第一批恒星和星系就形成了。

  研究团队表示在目前的模型中,星系在宇宙的大部分历史中都以一种平衡的形式演化,其中形成的恒星数与重元素间存在着某种关系。因此这些结果与目前的模型形成鲜明对比,但结果并不完全令人惊讶,因为星系形成的理论模型已经预测到了这一点,只是现在我们观测到了,这一结果让我们首次了解星系形成的最早阶段,它与星系之间气体的连结似乎比我们想像的更为密切。JWST将提供更多的数据,期望很快就能更清楚地了解在大霹雳后的最初十亿年中星系是如何开始形成的。相关研究成果发表于《自然·天文学》期刊上。(编译/台北天文馆赵瑞青)

星系形成示意图,来自星系间的弥漫气体向中心坠落,引发恒星形成并成为星系旋转盘的一部分。当恒星死亡时,会将气体送回星系(和星系际空间),因而富含重元素。Illustration of galaxy formation: Diffuse gas from intergalactic space plummets toward the center, sparking star formation and becoming part of the galaxy’s rotating disk. When stars die, they return their gas to the galaxy (and the intergalactic space), now enriched with heavy elements. Credit: Tumlinson et al. (2017).
图说:星系形成示意图,来自星系间的弥漫气体向中心坠落,引发恒星形成并成为星系旋转盘的一部分。当恒星死亡时,会将气体送回星系(和星系际空间),因而富含重元素。图片来源:Tumlinson et al. (2017)

资料来源:Universe Today

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