最新研究发现远古宇宙大爆炸后33个星系的“少年”特征

最新研究发现远古宇宙大爆炸后33个星系的“少年”特征研究来自远古宇宙的"少年星系"可以让科学家了解这些庞大的恒星系统是如何成熟和演化的。根据卡内基大学的格温-鲁迪（GwenRudie）和西北大学的艾莉森-斯特罗姆（AllisonStrom）领导的新工作，在宇宙大爆炸后20亿至30亿年刚刚形成的星系异常炽热，并发出来自镍等令人惊讶元素的光芒。研究来自远古宇宙的"少年星系"可以让科学家了解这些庞大的恒星系统是如何成熟和演化的。他们的研究结果发表在《天体物理学杂志通讯》（TheAstrophysicalJournalLetters）上，是CECILIA（利用星际极光中的电离线对化学演化进行约束）调查的一部分。去年七月，他们将美国国家航空航天局的詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）对准了33个经过特别挑选的古老星系，这些星系的光线经过100多亿年的传播才到达我们这里，他们用新望远镜凝视了这些星系一天多的时间，提供了迄今为止捕捉到的关于这些早期星系的最详细的视图。JWST望远镜拍摄的被称为"ElGordo"的星系团图像，它是"宇宙少年"的一个例子。图片来源：NASA、ESA、CSA、JoseM.Diego（IFCA）、BrendaFrye（亚利桑那大学）、PatrickKamieneski（亚利桑那大学）、TimCarleton（亚利桑那大学）、RogierWindhorst（亚利桑那大学）、AlyssaPagan（STScI）、JakeSummers（亚利桑那大学）、JordanC.J.D'Silva（亚利桑那大学）。J.D'Silva（西澳大学）、AntonM.Koekemoer（STScI）、AaronRobotham（西澳大学）、RogierWindhorst（美国空间大学）恒星形成与银河演化在宇宙年轻的时候，许多星系，包括本次研究选择的33个星系，都经历过一段密集的恒星形成期。如今，一些星系，比如我们的银河系，仍然在形成新的恒星，尽管速度没有那么快。其他星系则完全停止了恒星的形成。这项新工作可以帮助天文学家了解这些不同轨迹背后的原因。第一作者艾莉森-斯特罗姆（AllisonStrom）说："我们试图了解星系在140亿年的宇宙历史中是如何成长和变化的。利用JWST，我们的计划以青少年星系为目标，当时它们正处于成长和变化的混乱时期。青少年的经历往往决定了他们成年后的轨迹。对于星系来说也是一样。"美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的观测对这项研究至关重要。资料来源：美国国家航空航天局光谱分析和元素发现CECILIA团队研究了这些遥远星系的光谱，将它们的光分成不同的波长，就像三棱镜将阳光散射成彩虹的颜色一样。以这种方式观察光线有助于天文学家测量宇宙源的温度和化学成分。鲁迪解释说："我们将所有33个星系的光谱平均起来，创造出迄今为止所见过的最深的遥远星系光谱--这需要600个小时的望远镜时间才能复制出来。这使我们能够创建一个类似地图集的东西，为JWST未来观测非常遥远的天体提供参考。"利用光谱，研究人员能够识别出八种不同的元素：氢、氦、氮、氧、硅、硫、氩和镍。这些元素存在于这些星系中并不令人惊讶，但我们测量它们的光的能力是前所未有的，显示了JWST的强大功能。所有比氢和氦重的元素都是在恒星内部形成的。当恒星在超新星等剧烈事件中爆炸时，它们会将这些元素喷射到宇宙环境中，并融入下一代恒星。因此，通过揭示这些早期星系中某些元素的存在，天文学家可以了解恒星形成在演化过程中的变化。CECILIA团队对镍元素的存在感到惊讶，因为镍元素特别难以观测到。"我做梦也没想到我们会看到镍，"斯特罗姆说。"即使在附近的星系中，人们也没有观测到这种现象。星系中必须有足够多的元素存在，而且要有合适的条件才能观测到。从来没有人说过要观测镍。元素必须在气体中发光，我们才能看到它们。因此，为了让我们看到镍，星系中的恒星可能有一些独特之处。"富兰克林与马歇尔学院的合著者RyanTrainor补充说："JWST仍然是一个非常新的天文台。全世界的天文学家仍在努力找出分析我们从望远镜中获得的数据的最佳方法"。温度发现和遗产另一个惊喜：少年星系的温度非常高。通过研究光谱，物理学家可以计算出星系的温度。星系最热的地方可以达到9700多摄氏度，即华氏17492度，而少年星系的温度却高达13350多摄氏度，即华氏24062度。鲁迪说："我们预计这些早期星系的化学成分与我们的银河系和今天环绕我们的星系有非常非常大的不同。但JWST所揭示的情况还是让我们大吃一惊。"该项目是为了纪念塞西莉亚-佩恩-加波什金（CeciliaPayne-Gaposchkin）而命名的。她的发现颠覆了科学界对太阳成分的认识，在她的突破性工作最终得到认可之前，她面临了多年不公正的批评。"以塞西莉亚-佩恩的名字命名我们的JWST勘测是为了向她对恒星化学组成的开创性研究表示敬意。艾莉森和我认识到，我们自己揭示这些早期星系化学成分的工作就是建立在她的遗产之上的。"鲁迪说。CECILIA是卡内基和卡内基附属天文学家领导的六个JWST初始项目中的第一个，这些项目被选中利用这台不可思议的太空望远镜进行观测。今年早些时候，又有四个由卡内基领导的项目入选第二轮JWST时间分配。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401605.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401605.htm

韦伯揭示了早期宇宙中紧凑星系的物理特性

韦伯揭示了早期宇宙中紧凑星系的物理特性最早的星系发出的光逐渐使星系间介质中的大部分气体电离，改变了宇宙，使其变得透明。然而，再电离的精确时间表和宇宙最早的星系对这一过程的相对贡献仍然不确定。艺术家对詹姆斯-韦伯太空望远镜的构想。资料来源：NASAGSFC/CIL/AdrianaManriqueGutierrezHayleyWilliams及其同事报告了JWST对一个被引力透镜放大的遥远星系的近红外成像和光谱学观测。观察到的星系位于红移9.5，相当于大爆炸后约5.1亿年，再电离完成之前。引力透镜提供的高放大率使作者能够探测到这个本质上微弱的星系，并获得具有强烈星云发射线的光谱信息，从而揭示了该星系的一些物理特性。根据Williams等人的说法，研究结果显示，该星系的半径为16.2帕斯卡，比其他具有同等光度的星系要紧凑得多，这表明有高密度的恒星形成。更重要的是，光谱分析显示，该星系有丰富的氧气和氢气。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1354665.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1354665.htm

孤立静止矮星系PEARLSDG的意外发现打破了天文学界限

孤立静止矮星系PEARLSDG的意外发现打破了天文学界限PEARLSDG是詹姆斯-韦伯太空望远镜（JamesWebbSpaceTelescope）发现的一个孤立的矮星系，它没有形成新的恒星，从而违背了标准的星系演化理论，这表明我们需要修正对星系的认识。最近对矮星系的观测发现，在以前的大型光谱巡天观测范围之外存在大量的"超漫反射星系"，这表明我们对矮星系群的了解可能并不全面。在最新发表的一项研究中，卡尔顿和研究小组最初研究的是一个星系团，这是JWST"用于再电离和透镜科学的银河系外区域"（PEARLS）项目的一部分。这个名叫PEARLSDG的矮星系碰巧出现在研究小组对JWST的一些成像中。它根本不是目标--只是与主观测区域有点偏离，在他们不期望看到任何东西的空间区域。他们的研究结果发表在《天体物理学杂志通讯》上。银河系研究的突破PEARLSDG并不具备人们期望看到的矮星系的通常特征。它没有与附近的星系发生相互作用，但也没有形成新的恒星。事实证明，它是一个有趣的孤立静止星系。卡尔顿说："这类孤立的静止矮星系以前从未见过，除了相对少数的情况。根据我们目前对星系演化的理解，我们并不期望它们的存在，因此我们看到这个天体的事实有助于我们改进星系形成的理论，一般来说，单独存在的矮星系会继续形成新的恒星"。到目前为止，天文学家对星系演化的理解是，一个孤立的星系会继续形成年轻的恒星，否则就会与一个质量更大的伴星系发生相互作用。这一理论并不适用于PEARLSDG，它呈现出一个老恒星群，既不形成新恒星，也不自我封闭。更令人惊喜的是，在研究小组拍摄的JWST图像中可以观测到单个恒星。这些恒星在JWST的波长下更加明亮；这是我们能以如此详细的程度看到这些恒星的最远星系之一。这些恒星的亮度让天文学家能够测量出它的距离--9800万光年。创新天文技术卡尔顿是美国亚利桑那州立大学地球与太空探索学院贝尔斯宇宙基础中心的助理研究科学家，他和研究小组在这项研究中使用了大量数据。其中包括来自JWST的近红外摄像机（NIRCam）的成像数据；来自亚利桑那州弗拉格斯塔夫洛厄尔发现望远镜上的DeVeny光学摄谱仪的光谱数据；来自NASA的Galex和Spitzer太空望远镜的档案成像；以及来自斯隆数字巡天和暗能量相机遗留巡天的地面成像。JWST的NIRCam具有极高的角度分辨率和灵敏度，使研究小组能够识别这个遥远星系中的单个恒星。就像显微镜下聚焦的单个细胞一样，这些观测结果让PEARLSDG的各个组成部分变得清晰可见。重要的是，识别成像中的特定恒星为确定其距离提供了关键线索--这些恒星具有特定的内在亮度，因此通过用JWST测量它们的视亮度，研究小组能够确定它们的距离有多远。事实证明，这些恒星是目前观测到的同类恒星中最遥远的几颗。通过紫外线、光学和红外线波长观测到的所有档案成像数据被汇集在一起，用于研究PEARLSDG的颜色。新形成的恒星有特定的颜色特征，因此没有这种特征就表明PEARLSDG没有形成新的恒星。洛厄尔发现望远镜的DeVeney摄谱仪将天文物体的光线分散成不同的组成部分，使天文学家能够详细研究其特性。例如，通过光谱数据中的特征观测到的特定波长偏移编码了有关PEARLSDG运动的信息，其使用的"多普勒效应"与雷达枪用来测量亚利桑那州道路上驾驶员速度的原理相同。这是证明PEARLSDG与其他星系没有关联，是真正孤立星系的关键。此外，光谱中的特定特征对年轻恒星的存在很敏感，因此这些特征的缺失进一步证实了成像数据中没有年轻恒星的测量结果。卡尔顿说："这绝对违背了人们对这样一个矮星系的期望。"这一发现改变了天文学家对星系如何形成和演化的认识。它表明，许多孤立的静态星系正等待着被识别，而JWST拥有这样的工具。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423578.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423578.htm

研究人员利用现有光纤达到了301Tbps的传输速率

研究人员利用现有光纤达到了301Tbps的传输速率红外线传送是光纤宽带的一般工作原理，但研究人员利用新的定制设备，开发了一个从未在商业系统中使用过的频段，即"E波段"。伊恩-菲利普斯博士与波长管理装置。图片：阿斯顿大学科学家们在一份声明中说，工程与技术研究所（IET）于今年3月公布了测试结果，测试使用的是已经铺设在地下的光纤电缆。研究小组还在2023年10月于格拉斯哥举行的欧洲光通信会议（ECOC）上介绍了这项研究，但论文尚未公开。所有商用光纤连接都通过电缆在电磁波谱中的红外线C波段和L波段部分传送数据。用于互联网连接的特定红外区域范围为1260至1675纳米(nm)，可见光波长大约在光谱的400纳米到700纳米之间。C波段和L波段（波长在1530纳米和1625纳米之间）通常用于商业连接，因为它们最稳定，意味着传输过程中丢失的数据最少。但科学家们推测，总有一天，巨大的流量会导致这两个波段拥堵，这意味着需要增加传输波段来提高容量。S波段与C波段相邻，波长范围在1460纳米到1530纳米之间。"波分复用"（WDM）系统中与其他两个波段结合使用，从而达到更高的传输速度。然而，科学家们以前从未能够模拟E波段连接，因为该区域的数据丢失率极高，大约是C波段和L波段传输丢失率的五倍。具体来说，光导纤维很容易受到羟基（OH）分子的影响，这些分子可能通过制造过程或自然环境进入管道并破坏连接。E波段被称为"水峰值"波段，因为该区域的红外光吸收羟基分子会造成极高的传输损耗。在新的研究中，科学家们建立了一个系统，使稳定的E波段传输成为可能。他们利用E波段和邻近的S波段演示了成功稳定的高速数据传输。为了在这一电磁频谱区域保持稳定的连接，研究人员创造了两种名为"光放大器"的新设备。"光放大器"和"光增益均衡器"前者有助于远距离放大信号，后者则监控每个波长通道，并在需要时调整幅度。他们在光纤电缆中部署了这些设备，以确保红外光传输数据时不会出现通常困扰这些波段连接的不稳定性和损耗。"过去几年中，阿斯顿大学一直在开发在E波段工作的光放大器。"伊恩-菲利普斯伊恩-菲利普斯（IanPhillips）说。"在开发我们的设备之前，没有人能够以可控的方式正确模拟E波段信道"。尽管301Tbps的速度已经非常快，但近年来其他科学家已经利用光纤连接展示了更快的速度。例如，美国国家信息与通信技术研究所的一个团队创下了每秒22.9Petabits的纪录，比阿斯顿大学团队达到的速度快75倍。他们使用了波分复用技术在8英里（13公里）的距离上演示了这种高速连接，但没有使用E波段。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425592.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425592.htm

天文学家借助韦伯太空望远镜探测到宇宙早期类星体的宿主星系

天文学家借助韦伯太空望远镜探测到宇宙早期类星体的宿主星系最近发表在《自然》（Nature）杂志上的一项研究表明，黑洞的质量接近太阳质量的十亿倍，而宿主星系的质量几乎是太阳质量的一百倍，这一比例与近代宇宙中发现的情况相似。斯巴鲁望远镜和JWST的强大组合为研究遥远的宇宙铺平了一条新的道路。遥远宇宙中存在如此巨大的黑洞，给天体物理学家带来了更多的问题，而不是答案。宇宙如此年轻，这些黑洞怎么可能长得如此巨大？更令人费解的是，对本地宇宙的观测表明，超大质量黑洞的质量与它们所在的更大的星系之间存在着明显的关系。星系和黑洞的大小完全不同，那么是黑洞先出现还是星系先出现呢？这是一个宇宙尺度上的"先有鸡还是先有蛋"的问题。JWSTNIRCam3.6μm拍摄的HSCJ2236+0032图像。放大图像、类星体图像以及减去类星体光线后的宿主星系图像（从左到右）。每幅图像中都标明了以光年为单位的图像比例。图片来源：Ding,Onoue,Silverman,etal.由卡夫利宇宙物理与数学研究所（KavliIPMU）项目研究员丁旭恒和约翰-西尔弗曼教授，以及北京大学卡夫利天文与天体物理研究所（PKU-KIAA）卡夫利天体物理学研究员小野上正夫萨领导的国际研究团队，已经开始利用2021年12月发射的詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）来回答这个问题。研究宇宙早期宿主星系和黑洞之间的关系可以让科学家观察它们的形成过程，了解它们之间的关系。类星体很亮，而它们的宿主星系却很暗，这使得研究人员很难在类星体的强光下探测到星系的暗光，尤其是在很远的距离上。在JWST出现之前，哈勃太空望远镜能够探测到明亮类星体的宿主星系，当时宇宙的年龄还不到30亿年，但已经不再年轻了。美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜将其主镜完全展开，形成在太空中时的构型。图片来源：NASA/ChrisGunnJWST在红外波段的超高灵敏度和超清晰图像终于让研究人员能够将这些研究推向类星体和星系最初形成的时间。就在JWST开始正常运行几个月后，研究小组观测到了两颗类星体，分别是HSCJ2236+0032和HSCJ2255+0251，红移分别为6.40和6.34，当时宇宙的年龄大约为8.6亿年。这两颗类星体是在夏威夷毛纳凯亚山顶的8.2米苏巴鲁望远镜的深度巡天计划中发现的。这两颗类星体的光度相对较低，是测量宿主星系特性的主要目标，宿主星系的成功探测代表了迄今为止在类星体中探测到星光的最早时间。卡弗利IPMU项目研究员丁旭恒、约翰-西尔弗曼（JohnSilverman）教授和卡弗利天文学和天体物理学研究所（PKU-KIAA）卡弗利天体物理学研究员MasafusaOnoue（左起）。图片来源：卡弗里国际天文物理研究所、卡弗里国际天文物理研究所、MasafusaOnoue这两颗类星体的图像是用JWST的NIRCam仪器以3.56和1.50微米的红外波长拍摄的，在仔细建模并减去来自吸积黑洞的眩光后，宿主星系变得清晰可见。在JWST的近红外光谱仪为J2236+0032拍摄的光谱中也可以看到宿主星系的恒星特征，这进一步支持了宿主星系的探测。对宿主星系光度的分析发现，这两个类星体宿主星系的质量很大，分别是太阳质量的1300亿倍和340亿倍。通过近红外光谱仪光谱对类星体附近湍流气体速度的测量表明，为类星体提供能量的黑洞质量也很大，分别是太阳质量的14亿倍和2亿倍。黑洞质量与宿主星系质量之比类似于近期星系的质量，这表明黑洞与其宿主星系之间的关系在宇宙大爆炸后8.6亿年就已经存在了。丁、西尔弗曼、奥努埃和他们的同事将利用计划中的第一周期JWST观测，用更大的样本继续这项研究，这将进一步制约黑洞及其宿主星系共同演化的模型。研究小组最近得知，他们已经获得了JWST在下一个周期的额外时间来研究黑洞及其宿主星系。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1381743.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1381743.htm

韦伯望远镜揭示了低质量星系在早期宇宙再电离过程中的关键作用

韦伯望远镜揭示了低质量星系在早期宇宙再电离过程中的关键作用包括两位宾夕法尼亚州立大学天体物理学家在内的国际研究小组最近在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。这些光谱揭示了宇宙中被称为再电离时期的一些最初的可见光，该时期的动力来自最早的恒星和星系的到来。美国国家航空航天局詹姆斯-韦伯太空望远镜（NASA'sJamesWebbSpaceTelescope）拍摄的深场图像首次提供了超微弱星系的一瞥，研究人员将这些星系确定为引发宇宙再电离的天体的有力候选者。图片来源：HakimAtek/索邦大学/JWST原始宇宙从黑暗到光明的过渡论文作者、宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学助理教授乔尔-莱亚解释说，宇宙中的正常物质最初是一团炙热的浓雾，几乎完全由氢原子核和氦原子核组成。随着它的膨胀和冷却，孤质子和电子开始结合，第一次形成了中性氢。然后，在宇宙大爆炸发生后大约5亿至9亿年，在早期宇宙中占主导地位的中性氢开始再次分离成电离气体，从而促进了恒星和星系的诞生，并拨开了原始迷雾，使光线第一次可以畅通无阻地穿过宇宙。莱亚说："有一些东西开始向星际虚空泵送高能光子。这些光源就像宇宙灯塔，烧掉了中性氢的雾气。不管是什么，它的能量如此之大，如此持久，以至于整个宇宙都重新电离了。"通过分析年轻的低质量星系的光谱，科学家们证明，小型星系是引发宇宙再电离的"东西"的有力候选者，它们加热了周围致密的原始气体，并电离了曾经中性的氢。"如果宇宙中的其他低质量星系也像这些星系一样常见和充满能量，那么我们认为我们终于了解了照亮宇宙迷雾的灯塔，"莱亚说。"它们是许许多多微小星系中能量惊人的恒星"。早期宇宙中的大多数星系预计都相对较小，因此研究它们的频率和特性极其困难。由于JWST的灵敏度与Abell2744星团的引力透镜效应（附近的星系就像宇宙放大镜，会扭曲空间并放大背景星系的光线）的独特结合，现在有可能确定宇宙最初十亿年期间小型星系的丰度及其电离特性。索邦大学天体物理学家、巴黎天体物理研究所研究员、论文第一作者哈基姆-阿泰克（HakimAtek）在一份新闻稿中说："我们发现，在宇宙再电离的这一时期，小星系的数量比大质量星系多出约一百比一。这些新的观测结果还显示，这些小星系产生了大量的电离光子，比通常假设的遥远星系的标准值高出四倍。这意味着，这些星系发出的电离光子总通量远远超过了再电离所需的阈值"。绘制宇宙演化图：未来方向宾夕法尼亚州立大学的研究小组领导了UNCOVER勘测的建模工作，该勘测以大型前景星系团为目标，这些星系团对更微小、更遥远的星系产生了透镜效应。宾夕法尼亚州立大学的研究人员分析了巡天中的所有小光点，以了解天体的特性以及它们可能的质量和距离。Leja解释说，这一分析随后被用来指导后来JWST更详细的观测，从而推动了这一发现。在这些发现之前，有一些假说指出了宇宙再电离的其他来源，如超大质量黑洞、质量超过10亿太阳质量的大星系和质量小于10亿太阳质量的小星系。研究人员说，由于低质量星系的光度较低，证实与低质量星系有关的假说尤其困难，但新发现提供了迄今为止最明确的证据，证明低质量星系在宇宙再电离过程中发挥了核心作用。研究人员现在希望将这项研究扩展到更大的范围，以确认他们分析的特定位置能够代表宇宙中星系的平均分布情况。除了再电离过程之外，他们的观测还提供了对早期恒星形成过程、星系如何从原始气体中产生--以及它们如何演变成我们今天所知的宇宙的深入了解。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425740.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425740.htm