詹姆斯韦伯太空望远镜对遥远星系的观测比其他望远镜效果好5-10倍

根据一个国际科学家团队的一项新研究发现，詹姆斯韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope ，JWST） 使用近红外相机（NIRCam）观测的数据，将使天文学家更精确的掌握早期星系数据，科学家从JWST观测的遥远星系，获得了比以前更多的信息，这说明JWST将使我们对宇宙中最古老星系的成长和演化有进一步的理解。

恒星质量是了解星系形成和演化的最重要的物理特性之一。 因为星系中恒星的总量，将随这星系中的新恒星持续的形成而增加，这将是追踪星系成长最直接的方式。 观测宇宙中最古老星系（超过130亿光年），将有助于了解星系如何演化。

以往想要对这些古老星系进行准确观测，天文学家一直面临了一些困扰。 通常，天文学家进行星系的质光比（M/L）测量，利用星系产生的光估计其中恒星的总质量，而不是逐颗计算恒星质量。 至今，哈伯太空望远镜（Hubble Space Telescope，HST）对最遥远星系（如大约135亿年前形成的GN-z11）进行的研究仅限于紫外光（UV）光谱。

遥远古老星系的光在达到我们这里时经历了显著的红移，当光穿越时空时，因为宇宙膨胀的因素，光的波长将变长，移向光谱的红色端。 对于红移值（z）为7或更高的星系，大部分光将转移到光谱的红外光部份。 例如，对于Z=7的星系，最初以0.6微米波长发出的光，最终以4.8微米的波长到达我们的望远镜，红移值越高（星系越远），这种效应越强。

这意味需要红外光望远镜来测量星系的质量，因为HST无法观测到大部分遥远星系的光，在JWST出现之前，科学家使用的红外光望远镜是史匹哲太空望远镜（Spitzer Space Telescope，SST），而SST已经于2020年1月30日除役。 但是SST的85公分主镜无法与JWST的6.5公尺主镜相媲美，由于SST有限的灵敏度和角分辨率，大多数遥远星系是SST无法检测到的。

见图说图说： 将物体发出的光与观察到的红移光进行比较的光谱示意图。 随着宇宙的膨胀，它会将光延伸到较低频率或光谱的红色部分。 图片出处NASA/ESA/C. Christian/Z. Levay （STScI）

此外，以前的观测可能会错过很多红色星系，这些星系富含灰尘（遮蔽光线），紫外光谱极微弱。 因此，科学家认为先前对早期宇宙的恒星质量密度估计可能相差多达六倍，而JWST红外仪器套件，及其高灵敏度，将为未来研究宇宙中最古老和微弱星系，打开一扇新的窗。

在JWST发射之前，常用来观测恒星质量的方法，通常透过假设平均质量与紫外光的比，将紫外光（HST所测量的值）转换为恒星质量估计。 质光比的关系是用少数且不确定的测量值来进行校准，这只能代表那些较容易观察的到星系（年轻、无尘埃的星系）成员。 因此，先前恒星质量测量值容易产生很大的误差。

科学家透过JWST近红外相机观测资料，针对21个星系所发出的紫外光及红移可见光（红移范围6.7至12.3），进行其质量的观测。 如此可以避免以往大量假设的不确定性，并将质量测量的准确性提高5到10倍。

使用JWST的NIRCam最蓝波段测量恒星的紫外光，并进行其质光比较，发现质光比不能用单一的平均值来代表，其值大约跨越两个数量级。 从物理角度来看，这一发现代表早期星系的的种类存在很大异质性，星系表现出各式各样的物理特性。

见图说图说： 詹姆斯韦伯太空望远镜拍摄的第一张照片。 图片来源：NASA、ESA、CSA and STScI

JWST卓越的观测能力，对星系中恒星质量具有更严格的评估能力，将有利帮助科学家在最大与最长尺度上研究宇宙学。 科学家认为先前对于星系质量增长过程的认知，可能会受到重要的系统分类之影响。 在我们的研究中，系统不确定性的程度影响宇宙恒星质量密度，宇宙中星系的增长为时间的函数，估计早期不同个体间存在很大差异。 我们发现标准质光比的假设，导致系统不确定性可能高达几倍，这与我们预期的精确值相差太大。 这项研究已经发表在arXiv网站。

目前为止，JWST捕捉到最清晰，最详细的宇宙图像，并展现了其光学能力，这些图像已经带来许多的新发现。 其中针对宇宙中古老星系如何演化，及暗物质和暗能量扮演的角色发挥重要作用。 （编辑 / 林琦峯）

资料来源： universetoday

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