韦伯太空望远镜发现了宇宙中最早的星系

一个国际天文学家团队利用美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）的数据，报告发现了迄今为止确认的最早的星系。来自这些星系的光线花了超过134亿年的时间才到达我们身边，因为这些星系可以追溯到大爆炸后不到4亿年，当时宇宙只有目前年龄的2%。

早先来自韦伯的数据提供了这种婴儿星系的候选者。现在，这些目标已经通过获得光谱观测得到了确认，揭示了来自这些令人难以置信的微弱星系的光的指纹中的特征和独特的模式。

"证明这些星系确实是居住在早期宇宙中这是至关重要的。"来自英国赫特福德大学的天文学家和共同作者艾玛-柯蒂斯-莱克说："较近的星系很有可能伪装成非常遥远的星系。看到光谱后发现，正如我们所希望的那样，确认这些星系处于我们视野的真正边缘，有些星系比哈勃能看到的还要远！。这是该任务的一个巨大的令人兴奋的成就"。

这些观测结果是科学家们合作的结果，他们领导开发了韦伯号上的两个仪器，即近红外相机（NIRCam）和近红外光谱仪（NIRSpec）。对最微弱和最早期的星系的调查是这些仪器概念背后的主要动机。2015年，这些仪器团队共同提出了JWST高级深外星系调查（JADES），这是一个雄心勃勃的计划，在两年内分配给望远镜一个多月的时间，旨在提供一个深度和细节都前所未有的早期宇宙的视图。JADES是一个由10个国家的80多位天文学家组成的国际合作项目。"这些结果是NIRCam和NIRSpec团队共同执行这项观测计划的结果，"共同作者、图森亚利桑那大学的NIRCam首席调查员Marcia Rieke说。

JADES的第一轮观测集中在哈勃太空望远镜的超深场内和周围地区（见下图）。20多年来，这一小片天空一直是几乎所有大型望远镜的目标，建立了一个横跨整个电磁波谱的异常敏感的数据集。现在，韦伯正在增加其独特的视角，提供迄今为止获得的最微弱和最清晰的图像。

JADES计划从NIRCam开始，利用超过10天的任务时间，以九种不同的红外颜色观察该区域，并产生了精美的天空图像。该区域比哈勃太空望远镜制作的最深的红外图像大15倍，但在这些波长下却更加深邃和清晰。当从一英里外观看时，该图像仅有人类的大小。然而，它充斥着近10万个星系，每个星系都被捕捉到了它们历史上的某个时刻，距今已有数十亿年。

"我们第一次发现了大爆炸后仅3.5亿年的星系，而且我们可以对它们奇妙的距离有绝对的信心，"来自加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的共同作者、NIRCam科学小组成员布兰特-罗伯逊（Brant Robertson）分享道。"在如此令人惊叹的美丽图像中发现这些早期星系是一种特殊的体验。"

从这些图像中，早期宇宙中的星系可以通过其多波长的颜色这一特征来区分。随着宇宙的扩张，光的波长被拉长，而来自这些最年轻的星系的光被拉长了14倍之多。天文学家们寻找那些在红外线中可见的微弱星系，但它们的光在一个关键波长处突然中断。每个星系光谱中的截止点的位置会因宇宙的膨胀而发生偏移。JADES团队搜索了韦伯的图像，寻找这些独特的候选者。

然后，他们使用NIRSpec仪器，在一个跨越三天的单一观测期，总共收集了28个小时的数据。该小组收集了来自250个微弱星系的光线，使天文学家能够研究每个星系中的原子在光谱上印出的图案。这产生了对每个星系红移的精确测量，并揭示了这些星系中气体和恒星的特性。

"来自意大利Scuola Normale Superiore的天文学家和共同作者Stefano Carniani说："这些是迄今为止最微弱的红外光谱。"它们揭示了我们希望看到的东西：对星系间氢的散射所导致的光的截止波长的精确测量。"

所研究的四个星系特别特别，因为它们被发现处于一个前所未有的早期时代。研究结果提供了光谱学确认，这四个星系位于红移10以上，包括两个位于红移13。这相当于宇宙大约有3.3亿年历史的时候，为寻找遥远的星系设定了一个新的前沿阵地。这些星系由于离我们很远，所以非常暗淡。天文学家们现在可以探索它们的特性，这要归功于韦伯的精湛灵敏度。

来自英国剑桥大学的天文学家和共同作者Sandro Tacchella解释说："如果不了解星系发展的初始阶段，就很难了解它们。就像人类一样，后来发生的很多事情都取决于这些早期恒星的影响。关于星系的许多问题一直在等待韦伯为我们带来的变革性机会，很高兴能够在揭示这个谜团中发挥作用。"

JADES将在2023年继续对另一领域进行详细研究，这个领域以标志性的哈勃深场为中心（见上图），然后回到超深场进行另一轮的深度成像和光谱分析。该领域还有许多候选者等待光谱调查，研究设施的管理方已经批准了数百小时的额外时间。

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