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詹姆斯韋伯太空望遠鏡對遙遠星系的觀測比其他望遠鏡效果好5-10倍

  • 上版日期:111-07-30

根據一個國際科學家團隊的一項新研究發現,詹姆斯韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope ,JWST) 使用近紅外相機(NIRCam)觀測的數據,將使天文學家更精確的掌握早期星系資料,科學家從JWST觀測的遙遠星系,獲得了比以前更多的資訊,這說明JWST將使我們對宇宙中最古老星系的成長和演化有進一步的理解。

恆星質量是了解星系形成和演化的最重要的物理特性之一。因為星系中恆星的總量,將隨這星系中的新恆星持續的形成而增加,這將是追蹤星系成長最直接的方式。觀測宇宙中最古老星系(超過130億光年),將有助於了解星系如何演化。

以往想要對這些古老星系進行準確觀測,天文學家一直面臨了一些困擾。通常,天文學家進行星系的質光比(M/L)測量,利用星系產生的光估計其中恆星的總質量,而不是逐顆計算恆星質量。至今,哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope,HST)對最遙遠星系(如大約135億年前形成的GN-z11)進行的研究僅限於紫外光(UV)光譜。

遙遠古老星系的光在達到我們這裡時經歷了顯著的紅移,當光穿越時空時,因為宇宙膨脹的因素,光的波長將變長,移向光譜的紅色端。對於紅移值(z)為7或更高的星系,大部分光將轉移到光譜的紅外光部份。例如,對於Z=7的星系,最初以0.6微米波長發出的光,最終以4.8微米的波長到達我們的望遠鏡,紅移值越高(星系越遠),這種效應越強。

這意味需要紅外光望遠鏡來測量星系的質量,因為HST無法觀測到大部分遙遠星系的光,在JWST出現之前,科學家使用的紅外光望遠鏡是史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope,SST),而SST已經於2020年1月30日除役。但是SST的85公分主鏡無法與JWST的6.5公尺主鏡相媲美,由於SST有限的靈敏度和角分辨率,大多數遙遠星系是SST無法檢測到的。

見圖說圖說: 將物體發出的光與觀察到的紅移光進行比較的光譜示意圖。隨著宇宙的膨脹,它會將光延伸到較低頻率或光譜的紅色部分。圖片出處NASA/ESA/C. Christian/Z. Levay (STScI)
 
此外,以前的觀測可能會錯過很多紅色星系,這些星系富含灰塵(遮蔽光線),紫外光譜極微弱。因此,科學家認為先前對早期宇宙的恆星質量密度估計可能相差多達六倍,而JWST紅外儀器套件,及其高靈敏度,將為未來研究宇宙中最古老和微弱星系,打開一扇新的窗。

在JWST發射之前,常用來觀測恆星質量的方法,通常透過假設平均質量與紫外光的比,將紫外光(HST所測量的值)轉換為恆星質量估計。質光比的關係是用少數且不確定的測量值來進行校準,這只能代表那些較容易觀察的到星系(年輕、無塵埃的星系)成員。因此,先前恆星質量測量值容易產生很大的誤差。

科學家透過JWST近紅外相機觀測資料,針對21個星系所發出的紫外光及紅移可見光(紅移範圍6.7至12.3),進行其質量的觀測。如此可以避免以往大量假設的不確定性,並將質量測量的準確性提高5到10倍。

使用JWST的NIRCam最藍波段測量恆星的紫外光,並進行其質光比較,發現質光比不能用單一的平均值來代表,其值大約跨越兩個數量級。從物理角度來看,這一發現代表早期星系的的種類存在很大異質性,星系表現出各式各樣的物理特性。
 
見圖說圖說: 詹姆斯韋伯太空望遠鏡拍攝的第一張照片。圖片來源:NASA、ESA、CSA and STScI

JWST卓越的觀測能力,對星系中恆星質量具有更嚴格的評估能力,將有利幫助科學家在最大與最長尺度上研究宇宙學。科學家認為先前對於星系質量增長過程的認知,可能會受到重要的系統分類之影響。在我們的研究中,系統不確定性的程度影響宇宙恆星質量密度,宇宙中星系的增長為時間的函數,估計早期不同個體間存在很大差異。我們發現標準質光比的假設,導致系統不確定性可能高達幾倍,這與我們預期的精確值相差太大。這項研究已經發表在arXiv網站。

目前為止,JWST捕捉到最清晰,最詳細的宇宙圖像,並展現了其光學能力,這些圖像已經帶來許多的新發現。其中針對宇宙中古老星系如何演化,及暗物質和暗能量扮演的角色發揮重要作用。(編輯 / 林琦峯)

資料來源: universetoday