韋布望遠鏡探測遙遠星系中的氧元素

遙遠星系中氧元素的天文意義

韋布太空望遠鏡在最遙遠星系中探測到的氧元素究竟意味著什么？

在宇宙大爆炸后不到3億年的遙遠星系中，氧元素廣泛存在。這本在意料之中；若其缺失，反倒會令人深感意外。

這張JADESGSz140星系的放大圖像中，背景圖由詹姆斯韋布太空望遠鏡（JWST）拍攝，插圖則由阿塔卡馬大型毫米波亞毫米波陣列（ALMA）拍攝，展示了該早期星系中存在氧元素：目前這是人類已知距離第二遙遠的星系。 圖片來源：美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）、空間望遠鏡科學研究所（STScI）、加州大學圣克魯茲分校布蘭特羅伯遜（BrantRobertson）、哈佛史密松天體物理中心本約翰遜（BenJohnson）、劍橋大學桑德羅塔凱拉（SandroTacchella）、哈佛史密松天體物理中心菲爾卡吉爾（PhillCargile）

自投入運行以來，詹姆斯韋布空間望遠鏡（JWST）已發現數量遠超以往任何望遠鏡的遙遠而原始的星系。 但其中一些星系展現出令人意外的特征：成熟的結構、極高的亮度、顯著的發射線，甚至含有豐富的重元素，包括大量氧元素。 盡管有人聲稱在如此早期的宇宙中探測到氧元素令人驚訝，實則不然。真正令人意外的反而是發現一個完全不含氧的星系——而這恰恰是我們正在努力搜尋的目標。

在科學前沿，常常會出現令人驚喜的新發現。

這張圖像展示了CEERS巡天項目觀測區域的一部分，由詹姆斯韋布空間望遠鏡（JWST）利用近紅外相機（NIRCam）拍攝。該視場內包含一個擁有活躍超大質量黑洞的星系：CEERS1019。該黑洞質量約為900萬倍太陽質量，其存在可追溯至宇宙年齡不足6億年時期。它曾是已知最古老的黑洞之一，后續又有更早期的黑洞被發現。 來源：美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）、史蒂夫芬克爾斯坦（德克薩斯大學奧斯汀分校）、米卡埃拉巴格利（德克薩斯大學奧斯汀分校）、麗貝卡拉爾森（德克薩斯大學奧斯汀分校）

詹姆斯韋布空間望遠鏡憑借其更大的口徑和獨特的紅外探測能力，已多次刷新宇宙觀測紀錄。

各NIRCam濾光片的系統總透過率初步數據，涵蓋詹姆斯韋布空間望遠鏡（JWST）光學望遠鏡單元（OTE）、NIRCam光學系統、分光鏡、濾光片及探測器量子效率（QE）等全部環節的貢獻。此處透過率指光子轉化為電子的效率。通過采用一系列延伸至更長波長（介于1。6至2。0微米之間）的JWST濾光片——該波段遠超哈勃空間望遠鏡的觀測極限——JWST能夠揭示哈勃完全無法觀測到的天體細節。單幅圖像中所使用的濾光片數量越多，所能呈現的天體結構與特征就越豐富。 來源：NASAJWSTNIRCam儀器團隊

已發現眾多比以往更早、更遙遠的星系。

這張圖像展示了詹姆斯韋布空間望遠鏡（JWST）迄今在遙遠宇宙中發現的341個小紅點星系中的15個。這些星系均展現出相似的特征，但僅存在于宇宙早期；目前尚未在近鄰宇宙或宇宙晚期發現此類星系。它們普遍具有較大質量，其中部分星系結構致密，另一些則較為延展；部分星系表現出活動星系核（AGN）活動跡象，而其余則未觀測到此類現象。

在許多這類星系中，確實充滿了各種意想不到的現象。

JADESGSz140位于頂部小插圖框內，處于一個距離更近、更明亮、顏色更偏藍的星系后方（且略微偏右）。正是憑借詹姆斯韋布空間望遠鏡（JWST）強大的光譜分辨能力，才得以將這兩個天體清晰分離，從而確認了這一創紀錄遙遠天體的本質。它發出的光抵達我們時，宇宙年齡僅為約2。85億至2。9億年，僅相當于當前宇宙年齡的2。1％。位于其正下方的JADESGSz141，則來自宇宙年齡約為3億年的時期。與當今大型星系相比，所有早期星系恒星數量都較少，且形態不規則、邊界模糊。

它們數量眾多，遠超最初預期。

圖中右下角的藍色和紅色虛線代表當今星系中黑洞與恒星質量之間的關系，而詹姆斯韋布空間望遠鏡對早期星系的觀測數據（以圖中其他位置的多色數據點表示）則顯著偏離了這一現代關系。這一偏離對超大質量黑洞的種子形成機制及其起源具有重要啟示意義。

許多星系顯示出其中心存在正在積極吸積物質的超大質量黑洞的跡象。

一個位于詹姆斯韋布空間望遠鏡（JWST）拍攝的阿貝爾2744星系團（又稱潘多拉星系團）背景中的遙遠星系，發出強烈的X射線輻射，其特征與一個質量介于1000萬至1億倍太陽質量之間的黑洞相符。該星系自身的恒星總質量僅與此相當，因此成為揭示早期宇宙中黑洞與星系協同演化關系的首個關鍵例證。 圖片來源：NASACXCSAOákosBogdán；紅外圖像來源：NASACXCSAOL。Frattare與K。Arcand

有些天體甚至具有強烈的發射線，表明存在高溫電離等離子體。

這張由韋布空間望遠鏡（JWST）近紅外相機（NIRCam）多種測光濾光片獲取的測光圖像，呈現了星系JADESGSz131LA。該星系非常明亮，但在波長低于約1。7微米的波段中未探測到任何輻射信號。星際介質對這一較短波長的光具有極強的吸收能力，然而該星系卻展現出一條明亮且未被遮蔽的氫發射線，這一現象目前仍令天文學家感到困惑。

然而——這一點非常重要——它們均未顯示出真正原始的證據。

該圖展示了星系RXJ2129z8HeII的哈勃望遠鏡、詹姆斯韋布空間望遠鏡近紅外相機（NIRCam）以及詹姆斯韋布空間望遠鏡近紅外光譜儀（NIRSpec）數據的組合結果。此天體的恒星譜呈現出異常強烈的藍色傾斜特征，但目前尚無充分證據表明其周圍存在原始物質，也難以支持其中含有原始的第三星族（即第一代）恒星的觀點。截至目前，尚未發現確鑿的第三星族恒星證據。

大爆炸之后不久，宇宙中僅有氫和氦以顯著豐度存在。

該圖展示了宇宙在大爆炸核合成各階段膨脹與冷卻過程中輕元素豐度隨時間的演化。當第一批恒星形成時，氫、氘、氦3、氦4和鋰7的初始豐度比已由這些早期核過程確定。 圖片來源：M。Pospelov與J。Pradler，《核與粒子物理年評》

較重的元素，如碳、氧和鐵，只有在恒星形成、演化并最終死亡后才會產生。

一顆質量極大的恒星在其整個生命歷程中的結構演化，最終以II型（核心坍縮型）超新星爆發告終——當其核心耗盡核燃料時即發生該爆發。核聚變的最后階段通常是硅燃燒，僅在極短時間內于核心中生成鐵及類鐵元素，隨后便迅速觸發超新星爆發。質量最大的恒星經歷核心坍縮超新星的過程最短，通常形成黑洞；而質量相對較小的恒星則演化時間較長，最終只形成中子星。 來源：NicolleRagerFuller／美國國家科學基金會

即便是迄今發現的最早、最原始的星系，也含有這種經過加工的物質的證據。

該圖展示了宇宙誕生后約15億年內的星系，按紅移值進行顏色編碼，并以星系金屬豐度為橫坐標、塵埃質量與恒星質量比率為縱坐標進行繪制。大多數低金屬豐度星系同時表現出較低的塵埃含量，這類星系被稱為GELDAs，在宇宙極早期占據主導地位；而較晚時期、塵埃含量更高的星系則普遍具有更豐富的重元素。

因此，氧氣存在于遙遠星系JADESGSz140中并不令人意外。

星系JADESGSz140的圖像由詹姆斯韋布空間望遠鏡（背景）和阿塔卡馬大型毫米亞毫米波陣（ALMA，插圖）聯合獲取。該星系光譜中探測到明確的氧元素特征譜線，這一結果由兩個獨立團隊利用ALMA對該星系開展觀測后分別確認。氧元素的確認存在，標志著迄今在宇宙中所發現的最早期氧元素。 圖片來源：美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）、太空望遠鏡科學研究所（STScI）、加州大學圣克魯茲分校布蘭特羅伯遜（BrantRobertson）、哈佛史密松天體物理中心本約翰遜（BenJohnson）、劍橋大學桑德羅塔切拉（SandroTacchella）、哈佛史密松天體物理中心菲爾卡爾吉爾（PhillCargile）

目前已知距離第二遠的星系，被發現含有氧元素。

在已知最遙遠的星系中，GNz11和GHZ2屬于亮度較高的代表，但其物理尺寸卻異常致密；而JADESGSz141則更典型地表現為高亮度且空間延展性較強，據此推斷其物理尺度約為1700光年。

事實上，直接探測到這一氧氣特征信號，才是此處唯一值得稱道的成就。

JADESGSz131LA的NIRSpecPRISM光譜中可分辨出多種譜線特征。位于約1。7微米處的強發射線為萊曼α線；此外，還可識別出碳、氦、氧及碳等元素的譜線。該天體所呈現的顯著氫發射線具有獨特性，在宇宙誕生后約5億年內經詹姆斯韋布空間望遠鏡觀測到的所有天體中，尚未發現其他類似案例。

迄今已發現的所有星系均形成于大爆炸之后超過2。5億年。

這張圖像展示了詹姆斯韋布空間望遠鏡（JWST）近紅外相機（NIRCam）對星系MoMz14的三波段近紅外成像。該星系目前是已知距離最遠的星系之一。它在波長低于1。8微米的光波段中不可見，而JWST對其光譜進行了觀測，成功探測到多個發射線，從而確認其形成于宇宙誕生后僅約2。82億年之時。

在我們觀測到更早、更小、更暗的天體之前，第一代（不含氧的）恒星和星系仍將難以捉摸。

一幅藝術家對宇宙中某區域首次形成恒星時可能景象的構想。隨著恒星發光、吸積物質并收縮，會釋放出電磁輻射和引力輻射。在恒星內部，氣體壓力與引力相抗衡，支撐著各層結構以抵抗引力坍縮。恒星形成區域周圍是一片黑暗，因為中性原子有效地吸收了所發出的星光，而恒星發出的紫外光則從內部開始逐漸電離周圍的物質。 圖片來源：PabloCarlosBudassiWikimediaCommons

靜默星期一以圖像、視覺元素講述天文故事，文字不超過200字。

BY: Ethan Siegel

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自： https://bigthink.com/starts-with-a-bang/oxygen-jwst-most-distant-galaxies/

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