JWST揭示了大爆炸后2到30亿年的青少年星系的极其详细的视图

根据卡内基的格温·鲁迪和西北大学的艾莉森·斯特罗姆领导的新研究，大爆炸后仅2 到 30 亿年形成的星系异常炎热，并发出来自镍等令人惊讶的元素的光。研究古代宇宙中的“青少年星系”可以让科学家了解这些巨大的恒星系统是如何成熟和演化的。

他们的发现发表在《天体物理学杂志快报》上，是 CECILIA(使用星际极光中的电离线约束化学演化)调查的一部分，该调查由前卡内基博士后 Rudie 和 Strom 开发。去年 7 月，他们将 JWST 对准了 33 个特别挑选的古老星系，它们的光线传播了超过 100 亿年才到达我们，并用新望远镜观察了一天多，提供了迄今为止捕获到的这些早期星系的最详细视图。

在宇宙的年轻时期，许多星系，包括本次研究中选择的 33 个星系，都经历了一段剧烈的恒星形成时期。今天，一些星系，比如我们的银河系，仍然在形成新的恒星，尽管速度不那么快。其他星系已经完全停止形成恒星。这项新工作可以帮助天文学家了解这些不同轨迹背后的原因。

“我们正试图了解星系在 140 亿年的宇宙历史中是如何生长和变化的，”第一作者艾莉森·斯特罗姆 ( Allison Strom)说。“利用 JWST，我们的项目针对的是正在经历快速增长和变化的混乱时期的青少年星系。青少年的经历常常决定他们成年后的轨迹。对于星系来说，也是一样的。”

CECILIA 团队研究了这些遥远星系的光谱，将它们的光分成不同的波长，就像棱镜将阳光传播成彩虹的颜色一样。以这种方式观察光有助于天文学家测量宇宙源的温度和化学成分。

“我们对所有 33 个星系的光谱进行了平均，以创建迄今为止所见过的遥远星系的最深光谱，这需要 600 小时的望远镜时间才能复制，”鲁迪解释道。“这使我们能够创建某种地图集，为未来 JWST 对非常遥远物体的观测提供信息。”

利用这些光谱，研究人员能够识别出八种不同的元素：氢、氦、氮、氧、硅、硫、氩和镍。

“这些星系中存在这些元素并不令人惊讶，但我们测量其光的能力是前所未有的，这显示了 JWST 的力量，”鲁迪说。

所有比氢和氦重的元素都在恒星内部形成。当恒星在超新星等剧烈事件中爆炸时，它们会将这些元素喷射到宇宙环境中，并在那里融入下一代恒星。因此，通过揭示这些早期星系中某些元素的存在，天文学家可以了解恒星形成在其演化过程中如何变化。

CECILIA 团队对镍的存在感到惊讶，因为镍特别难以观察。

“在我最疯狂的梦想中，我从未想象过我们会看到镍，”斯特罗姆说。“即使在附近的星系中，人们也观察不到这一点。星系中必须存在足够的元素以及观察它的合适条件。没有人谈论过观察镍。元素必须在气体中发光才能让我们看到它们。因此，为了让我们看到镍，星系内的恒星可能有一些独特之处。”

“JWST 仍然是一个非常新的天文台，”富兰克林与马歇尔学院的合著者Ryan Trainor补充道。“世界各地的天文学家仍在试图找出分析我们从望远镜收到的数据的最佳方法。”

另一个惊喜：青少年星系非常热。通过检查光谱，物理学家可以计算星系的温度。虽然最热的星系区域温度可以达到超过 9,700 摄氏度或 17,492 华氏度，但青少年星系的温度则高于 13,350 摄氏度或 24,062 华氏度。

鲁迪说：“我们预计这些早期星系的化学成分与我们的银河系和今天周围的星系非常不同。” “但我们仍然对 JWST 透露的内容感到惊讶。”

该项目以塞西莉亚·佩恩-加波施金 (Cecilia Payne-Gaposchkin) 的名字命名，她在近 100 年前对太阳化学做出了开创性工作。她的发现颠覆了科学界对太阳构成的理解，在她的突破性工作最终得到认可之前，她多年来一直面临着不公平的批评。

“以塞西莉亚·佩恩 (Cecilia Payne) 命名我们的 JWST 调查，旨在向她对恒星化学构成的开创性研究致敬。艾莉森和我认识到，我们自己揭示这些非常早期星系化学成分的工作是建立在她的遗产之上的。” 鲁迪说道。

CECILIA 是卡内基和卡内基附属天文学家领导的六个初始 JWST 项目中的第一个，这些项目被选择使用这台令人难以置信的太空望远镜进行观测。今年早些时候，卡内基领导的另外四项举措被选择用于 JWST 时间分配的第二周期。