遙遠(yuǎn)星系中氧元素的天文意義

韋布太空望遠(yuǎn)鏡在最遙遠(yuǎn)星系中探測(cè)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(yuǎn)星系中，氧元素廣泛存在。這本在意料之中；若其缺失，反倒會(huì)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(yuǎn)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(lèi)已知距離第二遙遠(yuǎn)的星系。 圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）、空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（STScI）、加州大學(xué)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(xué)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(yùn)行以來(lái)，詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）已發(fā)現(xiàn)數(shù)量遠(yuǎn)超以往任何望遠(yuǎn)鏡的遙遠(yuǎn)而原始的星系。 但其中一些星系展現(xiàn)出令人意外的特征：成熟的結(jié)構(gòu)、極高的亮度、顯著的發(fā)射線(xiàn)，甚至含有豐富的重元素，包括大量氧元素。 盡管有人聲稱(chēng)在如此早期的宇宙中探測(cè)到氧元素令人驚訝，實(shí)則不然。真正令人意外的反而是發(fā)現(xiàn)一個(gè)完全不含氧的星系——而這恰恰是我們正在努力搜尋的目標(biāo)。

在科學(xué)前沿，常常會(huì)出現(xiàn)令人驚喜的新發(fā)現(xiàn)。

這張圖像展示了CEERS巡天項(xiàng)目觀測(cè)區(qū)域的一部分，由詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）利用近紅外相機(jī)（NIRCam）拍攝。該視場(chǎng)內(nèi)包含一個(gè)擁有活躍超大質(zhì)量黑洞的星系：CEERS1019。該黑洞質(zhì)量約為900萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量，其存在可追溯至宇宙年齡不足6億年時(shí)期。它曾是已知最古老的黑洞之一，后續(xù)又有更早期的黑洞被發(fā)現(xiàn)。 來(lái)源：美國(guó)國(guó)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(xué)奧斯汀分校）、米卡埃拉巴格利（德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校）、麗貝卡拉爾森（德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校）

詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡憑借其更大的口徑和獨(dú)特的紅外探測(cè)能力，已多次刷新宇宙觀測(cè)紀(jì)錄。

各NIRCam濾光片的系統(tǒng)總透過(guò)率初步數(shù)據(jù)，涵蓋詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）光學(xué)望遠(yuǎn)鏡單元（OTE）、NIRCam光學(xué)系統(tǒng)、分光鏡、濾光片及探測(cè)器量子效率（QE）等全部環(huán)節(jié)的貢獻(xiàn)。此處透過(guò)率指光子轉(zhuǎn)化為電子的效率。通過(guò)采用一系列延伸至更長(zhǎng)波長(zhǎng)（介于1。6至2。0微米之間）的JWST濾光片——該波段遠(yuǎn)超哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)極限——JWST能夠揭示哈勃完全無(wú)法觀測(cè)到的天體細(xì)節(jié)。單幅圖像中所使用的濾光片數(shù)量越多，所能呈現(xiàn)的天體結(jié)構(gòu)與特征就越豐富。 來(lái)源：NASAJWSTNIRCam儀器團(tuán)隊(duì)

已發(fā)現(xiàn)眾多比以往更早、更遙遠(yuǎn)的星系。

這張圖像展示了詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）迄今在遙遠(yuǎn)宇宙中發(fā)現(xiàn)的341個(gè)小紅點(diǎn)星系中的15個(gè)。這些星系均展現(xiàn)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(fā)現(xiàn)此類(lèi)星系。它們普遍具有較大質(zhì)量，其中部分星系結(jié)構(gòu)致密，另一些則較為延展；部分星系表現(xiàn)出活動(dòng)星系核（AGN）活動(dòng)跡象，而其余則未觀測(cè)到此類(lèi)現(xiàn)象。

在許多這類(lèi)星系中，確實(shí)充滿(mǎn)了各種意想不到的現(xiàn)象。

JADESGSz140位于頂部小插圖框內(nèi)，處于一個(gè)距離更近、更明亮、顏色更偏藍(lán)的星系后方（且略微偏右）。正是憑借詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）強(qiáng)大的光譜分辨能力，才得以將這兩個(gè)天體清晰分離，從而確認(rèn)了這一創(chuàng)紀(jì)錄遙遠(yuǎn)天體的本質(zhì)。它發(fā)出的光抵達(dá)我們時(shí)，宇宙年齡僅為約2。85億至2。9億年，僅相當(dāng)于當(dāng)前宇宙年齡的2。1％。位于其正下方的JADESGSz141，則來(lái)自宇宙年齡約為3億年的時(shí)期。與當(dāng)今大型星系相比，所有早期星系恒星數(shù)量都較少，且形態(tài)不規(guī)則、邊界模糊。

它們數(shù)量眾多，遠(yuǎn)超最初預(yù)期。

圖中右下角的藍(lán)色和紅色虛線(xiàn)代表當(dāng)今星系中黑洞與恒星質(zhì)量之間的關(guān)系，而詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)早期星系的觀測(cè)數(shù)據(jù)（以圖中其他位置的多色數(shù)據(jù)點(diǎn)表示）則顯著偏離了這一現(xiàn)代關(guān)系。這一偏離對(duì)超大質(zhì)量黑洞的種子形成機(jī)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(zhì)的超大質(zhì)量黑洞的跡象。

一個(gè)位于詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）拍攝的阿貝爾2744星系團(tuán)（又稱(chēng)潘多拉星系團(tuán)）背景中的遙遠(yuǎn)星系，發(fā)出強(qiáng)烈的X射線(xiàn)輻射，其特征與一個(gè)質(zhì)量介于1000萬(wàn)至1億倍太陽(yáng)質(zhì)量之間的黑洞相符。該星系自身的恒星總質(zhì)量?jī)H與此相當(dāng)，因此成為揭示早期宇宙中黑洞與星系協(xié)同演化關(guān)系的首個(gè)關(guān)鍵例證。 圖片來(lái)源：NASACXCSAOákosBogdán；紅外圖像來(lái)源：NASACXCSAOL。Frattare與K。Arcand

有些天體甚至具有強(qiáng)烈的發(fā)射線(xiàn)，表明存在高溫電離等離子體。

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

然而——這一點(diǎn)非常重要——它們均未顯示出真正原始的證據(jù)。

該圖展示了星系RXJ2129z8HeII的哈勃望遠(yuǎn)鏡、詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡近紅外相機(jī)（NIRCam）以及詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡近紅外光譜儀（NIRSpec）數(shù)據(jù)的組合結(jié)果。此天體的恒星譜呈現(xiàn)出異常強(qiáng)烈的藍(lán)色傾斜特征，但目前尚無(wú)充分證據(jù)表明其周?chē)嬖谠嘉镔|(zhì)，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(diǎn)。截至目前，尚未發(fā)現(xiàn)確鑿的第三星族恒星證據(jù)。

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(guò)程中輕元素豐度隨時(shí)間的演化。當(dāng)?shù)谝慌阈切纬蓵r(shí)，氫、氘、氦3、氦4和鋰7的初始豐度比已由這些早期核過(guò)程確定。 圖片來(lái)源：M。Pospelov與J。Pradler，《核與粒子物理年評(píng)》

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(huì)產(chǎn)生。

一顆質(zhì)量極大的恒星在其整個(gè)生命歷程中的結(jié)構(gòu)演化，最終以II型（核心坍縮型）超新星爆發(fā)告終——當(dāng)其核心耗盡核燃料時(shí)即發(fā)生該爆發(fā)。核聚變的最后階段通常是硅燃燒，僅在極短時(shí)間內(nèi)于核心中生成鐵及類(lèi)鐵元素，隨后便迅速觸發(fā)超新星爆發(fā)。質(zhì)量最大的恒星經(jīng)歷核心坍縮超新星的過(guò)程最短，通常形成黑洞；而質(zhì)量相對(duì)較小的恒星則演化時(shí)間較長(zhǎng)，最終只形成中子星。 來(lái)源：NicolleRagerFuller／美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)

即便是迄今發(fā)現(xiàn)的最早、最原始的星系，也含有這種經(jīng)過(guò)加工的物質(zhì)的證據(jù)。

該圖展示了宇宙誕生后約15億年內(nèi)的星系，按紅移值進(jìn)行顏色編碼，并以星系金屬豐度為橫坐標(biāo)、塵埃質(zhì)量與恒星質(zhì)量比率為縱坐標(biāo)進(jìn)行繪制。大多數(shù)低金屬豐度星系同時(shí)表現(xiàn)出較低的塵埃含量，這類(lèi)星系被稱(chēng)為GELDAs，在宇宙極早期占據(jù)主導(dǎo)地位；而較晚時(shí)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(yuǎn)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(yuǎn)鏡（背景）和阿塔卡馬大型毫米亞毫米波陣（ALMA，插圖）聯(lián)合獲取。該星系光譜中探測(cè)到明確的氧元素特征譜線(xiàn)，這一結(jié)果由兩個(gè)獨(dú)立團(tuán)隊(duì)利用ALMA對(duì)該星系開(kāi)展觀測(cè)后分別確認(rèn)。氧元素的確認(rèn)存在，標(biāo)志著迄今在宇宙中所發(fā)現(xiàn)的最早期氧元素。 圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）、太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（STScI）、加州大學(xué)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(xué)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(yuǎn)的星系，被發(fā)現(xiàn)含有氧元素。

在已知最遙遠(yuǎn)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(xiàn)為高亮度且空間延展性較強(qiáng)，據(jù)此推斷其物理尺度約為1700光年。

事實(shí)上，直接探測(cè)到這一氧氣特征信號(hào)，才是此處唯一值得稱(chēng)道的成就。

JADESGSz131LA的NIRSpecPRISM光譜中可分辨出多種譜線(xiàn)特征。位于約1。7微米處的強(qiáng)發(fā)射線(xiàn)為萊曼α線(xiàn)；此外，還可識(shí)別出碳、氦、氧及碳等元素的譜線(xiàn)。該天體所呈現(xiàn)的顯著氫發(fā)射線(xiàn)具有獨(dú)特性，在宇宙誕生后約5億年內(nèi)經(jīng)詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的所有天體中，尚未發(fā)現(xiàn)其他類(lèi)似案例。

迄今已發(fā)現(xiàn)的所有星系均形成于大爆炸之后超過(guò)2。5億年。

這張圖像展示了詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）近紅外相機(jī)（NIRCam）對(duì)星系MoMz14的三波段近紅外成像。該星系目前是已知距離最遠(yuǎn)的星系之一。它在波長(zhǎng)低于1。8微米的光波段中不可見(jiàn)，而JWST對(duì)其光譜進(jìn)行了觀測(cè)，成功探測(cè)到多個(gè)發(fā)射線(xiàn)，從而確認(rèn)其形成于宇宙誕生后僅約2。82億年之時(shí)。

在我們觀測(cè)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(shù)家對(duì)宇宙中某區(qū)域首次形成恒星時(shí)可能景象的構(gòu)想。隨著恒星發(fā)光、吸積物質(zhì)并收縮，會(huì)釋放出電磁輻射和引力輻射。在恒星內(nèi)部，氣體壓力與引力相抗衡，支撐著各層結(jié)構(gòu)以抵抗引力坍縮。恒星形成區(qū)域周?chē)且黄诎?，因?yàn)橹行栽佑行У匚樟怂l(fā)出的星光，而恒星發(fā)出的紫外光則從內(nèi)部開(kāi)始逐漸電離周?chē)奈镔|(zhì)。 圖片來(lái)源：PabloCarlosBudassiWikimediaCommons

靜默星期一以圖像、視覺(jué)元素講述天文故事，文字不超過(guò)200字。

BY: Ethan Siegel

FY: AI

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參考資料

1.WJ百科全書(shū)

2.天文學(xué)名詞

3.原文來(lái)自： https://bigthink.com/starts-with-a-bang/oxygen-jwst-most-distant-galaxies/

本文由AI翻譯自文章作者Ethan Siegel的作品,如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán),請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)布后聯(lián)系作者刪除.

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