詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)的NIRCam发现，在早期宇宙中，小而暗淡的星系与大星系合并，解开了探测到的本该被遮挡的氢光的谜团。这一发现，加上先进的模拟，揭示了宇宙婴儿期星系的形成和演化。来源:S. Martin-Alvarez
NASA/ESA/CSA詹姆斯·韦伯太空望远镜的主要任务之一是探测早期宇宙。现在，韦伯NIRCam仪器无与伦比的分辨率和灵敏度首次揭示了宇宙早期星系的局部环境。
这解决了天文学中最令人费解的谜团之一——为什么天文学家探测到氢原子发出的光，而这些光本应完全被大爆炸后形成的原始气体所阻挡。
解决天文问题nomical神秘
这些新的韦伯观测发现，星系周围的小而暗淡的物体显示出“无法解释的”氢发射。结合早期宇宙中最先进的星系模拟，观测结果表明，这些邻近星系的混乱合并是这种氢发射的来源。
光以有限的速度(每秒30万公里)传播，这意味着星系离我们越远，光到达太阳系所需的时间就越长。因此，对最遥远星系的观测不仅能探测到宇宙的深处，而且还能让我们研究过去的宇宙。
这张照片显示的是EGSY8p7星系，它是早期宇宙中的一个明亮星系，在这里可以看到来自激发氢原子的光发射——莱曼α发射。这个星系是韦伯在CEERS调查中研究的年轻星系中发现的。在底部的两个面板中，韦伯的高灵敏度挑选出这个遥远的星系以及它的两个伴星系，在之前的观测中，只有一个更大的星系在它的位置。来源:ESA/Webb, NASA和CSA, S. Finkelstein (UT Austin)， M. Bagley (UT Austin)， R. Larson (UT Austin)， A. Pagan (STScI)， C. Witten, M. Zamani (ESA/Webb)
韦伯的能力和早期星系观测
为了研究非常早期的宇宙，天文学家需要非常强大的望远镜，能够观测非常遥远的星系，因此非常微弱。韦伯望远镜的关键能力之一是它能够观测到那些非常遥远的星系，从而探索宇宙的早期历史。一个国际天文学家团队将韦伯的惊人能力用于解决天文学中一个长期存在的谜团。
最早的星系是充满活力和活跃的恒星形成的地方，因此是一种由氢原子发射的光的丰富来源，这种光被称为莱曼α发射。[1]
然而，在再电离时期[2]，大量的中性氢气包围了这些活跃恒星形成区域(也被称为恒星托儿所)。此外，星系之间的空间比现在充满了更多的中性气体。这种气体可以非常有效地吸收和散射这种氢发射，[3]所以天文学家早就预测，在非常早期的宇宙中释放的丰富的莱曼α辐射今天不应该被观测到。
然而，这一理论并不总是经得起推究，因为天文学家之前已经观测到非常早期的氢发射的例子。这就提出了一个谜:这种早就应该被吸收或散射的氢发射是如何被观察到的?剑桥大学研究员、这项新研究的首席研究员卡勒姆·威滕阐述道:
“以前的观测提出的最令人困惑的问题之一是在非常早期的宇宙中探测到氢原子发出的光，这些光应该完全被大爆炸后形成的原始中性气体所阻挡。之前已经提出了许多假设来解释这种‘无法解释的’辐射的巨大逃逸。”
这张照片显示的是EGSY8p7星系，它是早期宇宙中的一个明亮星系，在这里可以看到来自激发氢原子的光发射——莱曼α发射。韦伯望远镜的高灵敏度将这个遥远的星系以及它的两个伴星挑了出来，而之前的观测只发现了一个更大的星系。图片来源:ESA/Webb, NASA和CSA, C. Witten, M. Zamani (ESA/Webb)
星系合并和氢发射
该团队的突破要归功于韦伯的角度分辨率和灵敏度的非凡结合。用韦伯的NIRCam仪器进行的观测能够分辨出明亮星系周围更小、更暗的星系，这些星系发出了“无法解释的”氢辐射。换句话说，这些星系的周围似乎比我们之前想象的要繁忙得多，充满了小而暗淡的星系。至关重要的是，这些较小的星系相互作用并相互合并，韦伯揭示了星系合并在解释最早星系的神秘发射中起着重要作用。来自斯坦福大学的团队成员Sergio Martin-Alvarez补充道:
“哈勃只看到了一个大星系，而韦伯看到了一群较小的相互作用星系，这一发现对我们对一些第一批星系意想不到的氢发射的理解产生了巨大影响。”
本视频中显示的Azahar模拟是斯坦福大学和剑桥大学合作的结果，由英国DIRAC HPC设施的Cosma超级计算机生成。来源:S. Martin-Alvarez
然后，该团队使用最先进的计算机模拟(其中一个样本在上面的视频中突出显示)来探索可能解释其结果的物理过程。他们发现，星系合并过程中恒星质量的迅速增加，既推动了强烈的氢排放，又促进了氢辐射通过清除了大量中性气体的通道逃逸。因此，先前未被观测到的较小星系的高合并率为长期存在的“无法解释的”早期氢发射之谜提供了一个令人信服的解决方案。
未来的研究和理解星系演化
该团队正计划对处于不同合并阶段的星系进行后续观察，以继续发展他们对这些变化系统中氢发射的理解。最终，这将使他们能够提高我们对星系演化的理解。
这些发现发表在1月18日的《自然天文学》上。
笔记
莱曼α发射是受激氢原子中的电子下落时在121.567纳米波长处发出的光 Ps从n=2轨道的激发态下降到n=1的基态(原子可以具有的最低能量状态)。量子物理学告诉我们，电子可以 只存在于非常特定的能量状态，这意味着某些能量跃迁——比如当氢原子中的电子落下时 从n=2轨道到n=1轨道的Ps可以通过跃迁过程中发射的光的波长来确定。莱曼α发射是im 在天文学的许多分支中都很重要，部分原因是氢在宇宙中是如此丰富，也是因为氢通常会被像o这样的能量过程激发 正在活跃的恒星形成。因此，莱曼α发射可以作为活跃的恒星形成正在发生的标志。reio时代 形成是宇宙历史上一个非常早期的阶段，发生在重组之后(大爆炸之后的第一个阶段)。在重组过程中，宇宙冷却到足够的程度，电子和质子开始结合形成中性氢原子。在再电离过程中，密度更大的气体云开始形成，形成恒星，并最终形成整个星系，这些星系的光逐渐被再电离 使氢气气化。中性氢气是由处于最低能态的氢原子组成的，每个氢原子的电子都在n=1轨道上。由于莱曼α发射过程中氢原子发出的光携带着原子从n=2轨道跃迁到n=1轨道的能量，所以当它撞击中性氢原子时，它的能量正好等于0 把原子弄脏，把它的电子带到下一个可用的轨道。这意味着中性气体很容易吸收和阻挡莱曼α的发射。参考文献:“破译莱曼α发射深入到再电离时代”，作者:Callum Witten, Nicolas Laporte, Sergio Martin- alvarez, Debora Sijacki, Yuxuan Yuan, Martin G. Haehnelt, William M. Baker, James S. Dunlop, Richard S. Ellis, Norman A. Grogin, Garth Illingworth, Harley Katz, Anton M. Koekemoer, Daniel Magee, Roberto Maiolino, William McClymont, Pablo G. Pérez-González, Dávid Puskás, Guido Roberts-Borsani, Paola Santini和Charlotte Simmonds, 2024年1月18日，《自然天文学》。DOI: 10.1038 / s41550 - 023 - 02179 - 3
更多的信息
詹姆斯·韦伯太空望远镜是有史以来发射到太空中最大、最强大的望远镜。根据一项国际合作协议，欧洲航天局使用阿丽亚娜5号运载火箭提供望远镜的发射服务。欧空局与合作伙伴合作，负责阿丽亚娜5适应韦伯任务的开发和鉴定，并负责阿丽亚娜空间公司的发射服务采购。欧空局还提供了主要光谱仪NIRSpec和50%的中红外仪器MIRI，该仪器由国家资助的欧洲研究所联盟(MIRI欧洲联盟)与喷气推进实验室和亚利桑那大学合作设计和建造。
韦伯是美国宇航局、欧洲航天局和加拿大航天局(CSA)之间的国际合作伙伴关系。
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