詹姆斯・韦伯望远镜比哈勃望远镜遥远星系勘测精度提升 5-10 倍

北京时间 8 月 17 日上午消息，据报道，经过多年的期待，2021 年 12 月 25 日，美国宇航局詹姆斯・韦伯太空望远镜 (JWST) 终于发射升空！在接下来的 6 个月里，这个全球最先进的新一代太空望远镜展开了遮阳罩，部署了主镜和副镜，并调整了镜面，飞抵当前的太空位置 -- 地球-太阳拉格朗日 2 点 (L2)。2022 年 7 月 12 日，该望远镜首批拍摄图像公布，展示出迄今宇宙最详细的图像，不久，美国宇航局还发布了一张至今观测到最遥远星系图像，其历史非常久远，形成于大爆炸之后 3 亿年。

利用詹姆斯・韦伯近红外相机 (NIRCam) 的勘测数据，研究小组获得了部分遥远星系的质量评估，比之前测量精度高许多倍。

依据一支国际科学家团队的最新研究，詹姆斯・韦伯太空望远镜可使天文学家获得早期星系精确质量测量，利用詹姆斯・韦伯近红外相机 (NIRCam) 的勘测数据，研究小组获得了部分遥远星系的质量评估，比之前测量精度高许多倍。该发现意味着詹姆斯・韦伯太空望远镜能够彻底改变宇宙最早期星系成长进化的传统认知。

据悉，该国际研究团队 (负责人是意大利罗马天文观测台帕奥拉・桑蒂尼 (Paola Santini)) 拥有来自全球各地的资深专家，成员来自于：意大利国家天体物理研究所 (INAF)、澳大利亚 ASTRO 3D 合作组织、泰国国家天文研究所 (ARIT)、卡夫利粒子天体物理和宇宙研究所 (KIPAC)、宇宙黎明中心 (DAWN)、尼尔斯・玻尔研究所、卡内基科学研究所、美国加州理工学院红外处理和分析中心、以及美国、欧洲、澳大利亚和亚洲的大学机构和研究所。

正如科学家在研究中所提出的那样，恒星质量是理解星系形成和演变最重要的物理属性之一，詹姆斯・韦伯太空望远镜能测量星系中恒星总质量，恒星总质量通过气体和尘埃转化为新恒星而不断增加，因此，这是追踪分析星系成长的最直接手段。通过比较对宇宙最古老星系的观测结果，天文学家可以研究分析星系是如何演变进化的。

该图是比较天体释放光线和观测到红移光线的光谱图。在宇宙膨胀时期，光线会延伸至较低频率或者光谱红色部分。

不幸的是，获得早期星系精确测量数据一直是天体物理学家面临的棘手问题，通常情况下，天文学家进行质量-光比测量 (M / L)，使用星系产生的光来评估星系内恒星总质量，而不是在源到源的基础上计算恒星质量。到目前为止，哈勃太空望远镜对宇宙最遥远星系进行的勘测研究仅限于紫外光谱，例如：GN-z11 星系，它形成于 135 亿年前，是大熊座发现的一个高红移星系，也是可观测宇宙中最古老、最遥远的已知星系。

由于来自这些古老星系的光线到达地球时会发生显著红移，则意味着当光线穿过时空时，受宇宙膨胀因素影响，光线波长变长，有效地使它向光谱的红端移动。对于红移值 (z) 为 7 或者更高的星系 (距离为 13.46 光年或者更远)，大部分光将被移到红外光谱可见部分。正如桑蒂尼通过电子邮件向《今日宇宙》网站解释的那样：

"星系中大部分恒星，尤其是那些较大质量的恒星，它们释放近红外波长 (NIR)…… 从遥远星系传播到我们的望远镜所需时间，其恒星释放的光线不仅是光学领域范畴的事情，例如：对于红移值 z=7 的星系，最初释放 0.6 微米波长的光到达我们的望远镜时，波长将达到 4.8 微米，红移值越高 (即星系距离越遥远)，这种效应就越明显。"

这意味着我们需要红外探测器来测量星系恒星的质量 (大部分恒星释放的光线是哈勃太空望远镜无法观测到的)，在詹姆斯・韦伯太空望远镜出现之前，我们唯一使用的红外望远镜是斯皮策太空望远镜，但它在几年前就被废弃了。然而，斯皮策太空望远镜直径 85 厘米镜面无法与詹姆斯・韦伯太空望远镜直径 6.5 米镜面相比，大多数遥远星系也不在斯皮策望远镜的勘测范围内，由于其有限的灵敏度和角度分辨率，无法探测到遥远星系，并且易受高水平宇宙背景噪音的影响。

此外，之前的宇宙勘测调查很可能漏掉了红色星系中的很大一部分，这些星系富含尘埃 (可使光线模糊)，它们在紫外光谱中很微弱，因此，之前对宇宙早期恒星质量密度的估计会有 6 倍误差。但基于先进的红外勘测设备和无与伦比的灵敏度，詹姆斯・韦伯太空望远镜将开启"一个新窗口"，用于研究宇宙中最古老和最微弱的星系。桑蒂尼指出，詹姆斯・韦伯太空望远镜将首次实现对最遥远星系质量的精准测量。

由于测量恒星质量受到一定限制，在詹姆斯・韦伯太空望远镜发射之前，天文学家最常用的一种方法是通过假设平均质量与紫外线光的比率，将哈勃太空望远镜能够测量到的紫外线数据转移到恒星质量评估数值。这种质量-光比关系是我们基于少量且不确定的测量来校准的，它仅代表那些更易于观测到的星系群 (年轻、无尘埃的星系)。因此，恒星质量测量存在很大不确定性，无论是直接测量，还是通过紫外线推测恒星质量。

在他们的研究中，桑蒂尼和她带领的国际研究团队依赖于詹姆斯・韦伯太空望远镜近红外相机 (NIRCam) 的勘测数据，在 2022 年 6 月 28-29 日获得了太空勘测图像，这是第一组观测数据，之后他们通过探测 21 个遥远星系的紫外线辐射和红移值数据 (红移值从 6.7 到 12.3)，桑蒂尼强调称，詹姆斯・韦伯太空望远镜显著提高了观测效果，避免了之前观测中的推断和不确定性，可使测量准确性提高 5-10 倍。

她说："通过比较恒量质量和紫外线 (使用最蓝的 NIRCam 波段测量)，我们发现质量-光比测量 (M / L) 远不及单个平均值，相反，对于给定的光度，它跨越了大约两个数量级，从物理学角度来看，该发现表明，早期星系种群在很大程度上是异质的，星系表现出各种各样的实际状况。"

桑蒂尼说："这仅是近年来越来越多天文研究的一部分，但这些研究表明，詹姆斯・韦伯任务非常关键，它能提供星系中恒星质量更严格的评估数据，将极大地帮助天文学家在最大、最长尺度上研究宇宙。我们发现从假设的质量-光线推断模式产生的系统不确定性可能高达几倍，与我们希望达到的宇宙精度水平相差甚远，然而基于詹姆斯・韦伯太空望远镜，我们将获得更精准的恒星质量数据。"

图中是詹姆斯・韦伯太空望远镜拍摄的第一张照片。这是迄今为止拍摄到宇宙最遥远、最清晰的红外图像，该图像被命名为"韦伯的第一张深空照片"，拍摄到星系团 SMACS 0723 的详细状况。

目前，该望远镜已通过捕捉最清晰、最详细的宇宙图像，证明了它的光学勘测能力，并获得令人震惊的最新天文发现，它的光谱仪能勘测遥远系外行星的光谱，表明它将有助于科学家描绘系外行星的大气层状况，并确定它们是否真正具备"宜居条件"。这项最新研究表明，它还将在确定宇宙最早星系特征、星系如何演变进化，以及暗物质和暗能量对于宇宙发展是否发挥关键作用。