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詹姆斯韦伯太空望远镜发现有“不可能的”光签名的遥远星系

2024-09-09 17:51阅读：

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詹姆斯韦伯太空望远镜发现有“不可能的”光签名的遥远星系
比大爆炸后5.5亿年更早一直从未见过氢发射线。因此为什么JADES-GS-z13-1-LA有一个？
STARTS WITH A BANG — SEPTEMBER 9, 2024
Ethan Siegel
詹姆斯韦伯太空望远镜发现有“不可能的”光签名的遥远星系

这张衍自用各种詹姆斯韦伯太空望远镜近红外相机光度滤镜器的星系JADES-GS-z13-1-LA的光度图像展示一个明亮的星系，在低于约1.7微米波长之下没有光的迹象。星系间介质在封锁更短波长的光上是超常有效的，但为什么这个星系显示一个没有被封锁的明亮的氢发射线对天文学家提交一个神秘的谜题。Credit: J. Witstok et al., arXiv:2408:16608, 2024
关键要点
自20
21年12月发射以来，詹姆斯韦伯太空望远镜已经跨整个宇宙发现了创纪录的天体，包括从来在最远距离的天体。
许多遥远的星系是高能量的并显示来自特定原子和分子尤其是氢的发射线签名。
然而，比大爆炸后5.5亿年更早没有一个被发现。
直到现在为止。随对星系JADES-GS-z13-1-LA的发现和光谱学跟踪，我们现在有一条刚好来自大爆炸后3.26亿年一个星系的强氢发射线。问题是：如何？
自它的发射以来，詹姆斯韦伯太空望远镜已经以前所未有的光揭示了宇宙。

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这一被哈勃望远镜第一次象征性的观望和后来被詹姆斯韦伯太空望远镜观望的空间区域，显示了一个在两者之间切换的动画。这两幅图像仍然有根本的限制，因为它们被从我们的太阳系内部获得，在那里，黄道光的存在影响我们仪器的噪声基底，并且不能被容易消除。JWST图像中的点一样红色天体也称为“小红点”的额外存已经最后被解释，但其他谜题仍然剩下的。Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Christina Williams (NSF’s NOIRLab), Sandro Tacchella (Cambridge), Michael Maseda (UW-Madison); Processing: Joseph DePasquale (STScI); Animation: E. Siegel
早期明亮的、无处不在的星系的广泛发现困惑了许多人。

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这个用詹姆斯韦伯太空望远镜的近红外相机仪器拍摄的JADES勘察区域的微小部分，详细展示相对较近的星系、在中等距离的一起成群出现的星系甚至可能正在相互作用或形成恒星的超遥远星系，尽管它们的很暗性质和红的外观。即便我们已经进行詹姆斯韦伯太空望远镜科学研究两年多，我们刚刚开始来用詹姆斯韦伯太空望远镜探索宇宙的全部丰富性。Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), P. Cargile (CfA)
在我们理解为什么它们如此众多之前需要多年的研究。

詹姆斯韦伯太空望远镜发现有“不可能的”光签名的遥远星系
这里显示了被识别的原星团A2744z7p9OD的成员星系，在詹姆斯韦伯太空望远镜的星系团Abell 2744的观望中的上方轮廓了它们的位置。在大爆炸后仅6.5亿年，它是从来识别的最古老的星系团。这是早期的，但与当最早的原星团何时从最初过密集的区域浮现的仿真是一致的。Credit: NASA, ESA, CSA, Takahiro Morishita (IPAC); Processing: Alyssa Pagan (STScI)
然而，一个新的秘密刚刚已经以一个新的超遥远星系的详细测量发生了。

詹姆斯韦伯太空望远镜发现有“不可能的”光签名的遥远星系
在这里显示的两个大的突出的前景星系之间，詹姆斯韦伯太空望远镜已经成像了一个最初被识别为一个超遥远星系候选者的微弱红色天体：JADES-GS-z13-1-LA。在一个光谱研究被进行后这个星系已经被证实红移是在z=13.01和z=13.05之间，把它的年龄放在来自当宇宙只有3.25亿岁到3.3亿年岁之间。Credit: J. Witstok et al., arXiv:2408:16608, 2024
被称为JADES-GS-z13-1-LA，它以许多方式出现非常遥远星系的典型的。

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包含星系JADES-GS-z13-1-LA的太空区域已经被用一个高达19种不同的詹姆斯韦伯太空望远镜滤光片光度上成像。在9个最短波长滤光片中，星系本身是完全不可见的，没有显示出噪声基底之上：它的光正在被介入的物质封锁的证据。然而，在更长的波长下，詹姆斯韦伯太空望远镜的独特能力揭示它，提示它的超距离的性质。Credit: Kevin Hainline/Twitter
它在更短波长是不可见的，然后在更长波长明亮的：这是詹姆斯韦伯太空望远镜独特的能力照耀的地方。

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每个近红外相机滤光片初步总系统穿透包括来自詹姆斯韦伯太空望远镜光学望远镜元件（OTE）、NIRCam光学串、二色性、滤光片和探测器量子效率（QE）的贡献。穿透是指光子到电子转换效率。通过用一系列延伸到比哈勃极限远更长波长（1.6到2.0微米之间）的詹姆斯韦伯太空望远镜滤光片，詹姆斯韦伯太空望远镜能揭示对哈勃是完全不可见的细节。在单个图像中被利用的过滤器越多，能被揭示的细节和特征就越多。Credit: NASA/JWST NIRCam instrument team
但这个从来第五遥远的星系有一个惊奇：一条明亮的氢发射线。

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由詹姆斯韦伯太空望远镜的星系JADES-GS-z13-1-LA的近红外光谱仪器拍摄的光谱，它不仅清楚的显示了按观测到的波长1.7微米标记处的“莱曼断裂”特征，而且一个对断裂的右侧的巨大的“峰值”：一个氢发射线的证据。这是最遥远的在2亿多年上这样的发射线。Credit: J. Witstok et al., arXiv:2408:16608, 2024
莱曼-阿尔法线（Lyman-α）是所有发射线中最亮的，在光谱研究中辉煌的照耀着。

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星系RXJ2129-z8HeII的光谱显示电离氦、一些氢线和在500.8纳米处非常强的双电离氧线的签名。詹姆斯韦伯太空望远镜已经能够来探测远回到约z=9的发射线，但超过这个，JADES-GS-z13-1-LA是唯一来拥有一个已知发射线的星系。目前这没有被解释。Credit: X. Wang et al., submitted to Nature, 2022; arXiv:2212.04476
这是最早来显示这样一条线的遥远星系：超过2亿年。

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出自JADES-GS-z13-1-LA的近红外光谱/PRISM光谱各种光谱特征能被梳理出。在约1.7微米处的巨大发射线是由于莱曼阿尔法，但在其他地方，碳、氦、氧和碳线也都能被看到。巨大的氢发射线对这个天体是独有的；从宇宙历史的前5亿年，没有其他詹姆斯韦伯太空望远镜成像的天体有一个。Credit: J. Witstok et al., arXiv:2408:16608, 2024
我们目前没有这可能如何发生的解释；所有的光都应该被封锁。

在宇宙的最初5.5亿年里，中性、封锁光的原子坚持在星系之间的空间中，延续着所谓的宇宙黑暗时代。当这种物质坚持时，星光大部分被吸收，不能穿透这种“雾”。一旦最后的中性物质变得被再电离，星光能通过宇宙自由传播，标志着再电离时代的结束。Credit: M. Alvarez, R. Kaehler, and T. Abel / chart by Big Think
宇宙在大爆炸后近10亿年里仍然充满有中性、封锁光的原子。

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经过一定距离、在一定时间（约10亿年）之前或者比一个红移（z）6更远，宇宙在它之内仍然有中性气体，这封锁和吸收光线。这些星系光谱显示对所有超过一定红移的星系在大（莱曼系列）凸起的左侧的通量中为一个降至零的效果，但对在更低红移上的星系没有。这种物理效应被称为冈恩-彼得森槽，它将封锁由最早恒星和星系产生的最亮的光。除了JADES-GS-z13-1-LA之外，从未见过一个红移超过约z=9的发射线。Credit: X. Fan et al., Astronomical Journal, 2006
这种气体仅逐渐被电离，在足够的累积紫外星光已经被产生后。


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在宇宙的最初5.5亿年里，中性的、封锁光的原子无处不在坚持在星系之间的空间中，延续着所谓的宇宙黑暗时代。一旦最后一个中性物质变得被再电离，星光能自由穿过宇宙传播，标志着再电离时代的结束。在某些地方，再电离发生早于平均，但这永远不应该早于JADES-GS-z13-1-LA已经被观测到。Credit: M. Alvarez, R. Kaehler, and T. Abel
如此这条发射线如何从这么早穿过来到呢？

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一种图形渲染说明大爆炸的概念和随后的宇宙的膨胀，被描述为从一个能量的奇点到一个星系和天体元素的广泛网格状分布的过渡
在热大爆炸开始时，宇宙正在迅速的扩张并充满有高能、非常密集的超相对论量子。辐射统治的早期阶段让位于几个后期阶段，在那里辐射占次统治的，但仍然剩下的，而然后随着时间物质聚块并坍塌成气体云、恒星、星团、星系和甚至更丰富的结构，所有这个期间那些不被束缚结构之间的空间继续扩张。当恒星形成时，来自它们的热不仅电离周围的物质，而且电离物质的运动和高温能增强和拓宽它们的结果的发射线。Credit: Big Think / CfA / M. Weiss
也许诱人的是热或动力学效应“提升”了它的能量。

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来自星系JADES-GS-z13-1-LA的强莱曼-阿尔法发射线显示一个显著量的加宽，这可能是由于热（非常热的气体/等离子体）效应和/或动力学（快速运动）效应，但光如何逃逸并旅行穿过星系间介质没有很好明白。Credit: J. Witstok et al., arXiv:2408:16608, 2024
否则，天文学家将仍然在黑暗中。

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黑暗、尘埃的分子云如管状星云的巴纳德59，随它们封锁掉来自背景天体恒星、加热的气体和反光的物质的光出现突出的。在年轻的宇宙中，先于一个大约5.5亿年岁年龄，很大一部分原子没有被电离，因此甚至封锁来自新形成的炽热恒星的光应该是非常有效的。为什么一个像JADES-GS-z13-1-LA一样的星系有一条明亮的氢发射线，目前对天文学是一个难题。Credit: ESO
大多寂寞的星期一一图像、视觉和不超过200字告诉一个天文故事。
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/jwst-galaxy-impossible-light/

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