詹姆斯·韦布空间望远镜探测到宇宙早期星系中存在碳

詹姆斯·韦布空间望远镜探测到宇宙早期星系中存在碳   研究示意图。图片来源：物理学家组织网早期宇宙几乎完全由最简单的氢元素，以及少量氦和锂组成。而现在观察到的宇宙中所有其他元素都在恒星内部形成。当恒星爆炸成超新星时，产生的元素在宿主星系内循环，孕育下一代恒星。随着每一代新恒星和“星尘”诞生，越来越多金属形成，宇宙进化到可以支持地球等岩石行星的存在以及生命的繁衍生息。在最新研究中，科学家使用韦布望远镜观测了一个宇宙大爆炸后仅3.5亿年就已经存在的星系，这是迄今科学家探测到的最遥远的星系之一。他们使用韦布的近红外光谱仪，将来自该年轻星系的光分解成一系列颜色。鉴于不同元素会在星系光谱中留下不同的化学“指纹”，科学家由此可确定其化学成分。光谱分析“可靠地”检测到了碳，“初步”检测到了氧和氖。研究人员表示，此前认为宇宙大爆炸后约10亿年碳才开始大量聚集，但他们发现碳形成得更早。这意味着第一批恒星的运行方式可能非常不同。鉴于碳是人类已知生命的基础，生命在宇宙中进化的时间可能比现在认为的早得多。 ... PC版： 手机版：

极速宇宙风：最新天文研究解释黑洞如何推动星系演化

极速宇宙风：最新天文研究解释黑洞如何推动星系演化 类星体风（浅蓝色）从超大质量黑洞周围的吸积盘（橘红色）上发射出来的艺术家印象图。图片来源：NASA/CXC/M.Weiss, Catherine Grier and the SDSS collaboration宇宙动力学：星系中的气体加速一个遥远星系中的气体云正被星系中心的超大质量黑洞发出的爆炸性辐射以每秒超过10000英里的速度越来越快地推向邻近的恒星。这一发现有助于阐明活动黑洞是如何通过刺激或扼杀新恒星的发展来不断塑造星系的。威斯康星大学麦迪逊分校天文学教授凯瑟琳-格里尔（Catherine Grier）和应届毕业生罗伯特-惠特利（Robert Wheatley）领导的研究小组利用多年来从类星体（一种特别明亮和湍流的黑洞，位于数十亿光年外的宝瓶座）收集的数据揭示了这种加速气体。他们在麦迪逊举行的美国天文学会第244次会议上展示了他们的发现。科学家认为黑洞位于大多数星系的中心。类星体是一种超大质量黑洞，周围环绕着被黑洞巨大引力拉入的物质盘。类星体风（浅蓝色）从超大质量黑洞周围的吸积盘（橘红色）上发射出来的图像。右侧插图是来自类星体 SBS 1408+544 的两个光谱，显示了吸收光的左移，揭示了类星体风推动气体加速的过程。资料来源：NASA/CXC/M.Weiss, Catherine Grier and the SDSS collaboration类星体照明机制"圆盘中的物质一直在向黑洞坠落，这种拉扯的摩擦力会加热圆盘，使它变得非常非常热，非常非常亮，"格里尔说。"这些类星体真的很亮，由于从圆盘内部到远处的温度范围很大，它们的辐射几乎覆盖了所有的电磁波谱"。明亮的光线使类星体几乎和宇宙一样古老（多达 130 亿光年之远），其辐射范围之广使其对天文学家探测早期宇宙特别有用。类星体 SBS 1408+544 的图像，十字准线中心的蓝点。图片来源：Jordan Raddick 和 SDSS 合作小组黑洞风的观测启示研究人员利用斯隆数字巡天计划（Sloan Digital Sky Survey）现在称为"黑洞映射器混响绘图项目"（Black Hole Mapper Reverberation Mapping Project）的一项计划收集到的八年多来对一颗名为 SBS 1408+544 的类星体的观测数据进行了研究。他们通过发现类星体中消失的光被气体吸收的光来追踪由气态碳组成的风。但是，SBS 1408+544 的光影并没有在光谱中表示碳的正确位置被吸收，而是随着每一次对 SBS 1408+544 的观察，光影都会偏离原点更远。惠特利说："这种变化告诉我们，气体正在快速移动，而且速度一直在加快。风在加速，因为它受到从吸积盘上喷出的辐射的推动。"包括格里尔在内的科学家曾表示，他们以前观测到过来自黑洞吸积盘的加速风，但这一说法尚未得到更多观测数据的支持。新的结果来自近十年来对SBS 1408+544进行的约130次观测，这使得研究小组能够以极高的置信度确定速度的增加。黑洞风对银河系演化的影响天文学家对从类星体中挤出气体的风很感兴趣，因为这可能是超大质量黑洞影响其周围星系演化的一种方式。惠特利说："如果它们的能量足够大，风可能会一直吹到宿主星系，在那里它们可能会产生重大影响。"根据不同的情况，类星体的风可以提供压力，将气体挤压在一起，加速宿主星系中恒星的诞生。或者，它可能会冲走这些燃料，阻止潜在恒星的形成。"超大质量黑洞很大，但与它们所在的星系相比真的很小，"格里尔说，他的工作得到了美国国家科学基金会的支持。"但这并不意味着它们不能相互'对话'，这是一个黑洞与另一个黑洞对话的一种方式，我们在模拟这类黑洞的影响时必须考虑到这一点"。关于 SBS 1408+544 的研究报告于 6 月 11 日发表在《天体物理学报》上。 ... PC版： 手机版：

研究人员在类星体宿主星系中发现了恒星形成受抑制的证据

研究人员在类星体宿主星系中发现了恒星形成受抑制的证据 类星体研究取得突破由北海道大学的德拉甘-萨拉克（Dragan Salak）助理教授、筑波大学的桥本拓也（Takuya Hashimoto）助理教授和早稻田大学的井上明夫（Akio Inoue）教授领导的研究小组首次发现了宇宙早期类星体宿主星系中的分子气体外流抑制恒星形成的证据。他们利用智利阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）进行的观测结果发表在《天体物理学报》上。从类星体 J2054-0005 喷出的分子气体的艺术印象。资料来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)分子气体在星系中的作用分子气体对恒星的形成至关重要。作为恒星形成的主要燃料，星系内无处不在的高浓度分子气体会导致大量恒星的形成。分子外流将这些气体喷射到星系际空间的速度快于恒星形成所消耗的速度，从而有效地抑制了类星体所在星系中恒星的形成。萨拉克解释说："理论研究表明，分子气体外流从早期就在星系的形成和演化过程中发挥着重要作用，因为它们可以调节恒星的形成。类星体是能量特别高的来源，因此我们预计它们可能会产生强大的外流"。一组正在观测夜空的 ALMA 12 米天线。本研究使用 12 米天线进行观测。资料来源：ESO/Y.Beletsky发现分子气体外流研究人员观测到的类星体 J2054-0005 具有非常高的红移它和地球之间的移动速度显然非常快。桥本说："J2054-0005 是遥远宇宙中最亮的类星体之一，因此我们决定把这个天体作为研究强大外流的绝佳候选天体。研究人员利用 ALMA 观测了类星体的分子气体外流。作为世界上唯一具有探测早期宇宙中分子气体外流的灵敏度和频率覆盖范围的望远镜，ALMA 是这项研究的关键。"谈到研究中使用的方法，Salak 评论道："外流分子（OH）气体是通过吸收发现的。这意味着我们观测到的微波辐射并非直接来自OH分子；相反，我们观测到的辐射来自明亮的类星体吸收意味着OH分子恰好吸收了类星体的部分辐射。因此，这就像是通过看到气体在光源前投下的'影子'来揭示气体的存在"。类星体流出的分子气体包括羟基（OH）（上图）。由于分子气体向观测者方向运动，吸收光谱中的羟基峰（底部，蓝色虚线）出现在较短的波长上（蓝色实线），这种现象被称为多普勒效应。资料来源：ALMA（ESO/NAOJ/NRAO），修改自 Dragan Salak 等人，《天体物理学杂志》。2024 年 2 月 1 日对星系演化的影响这项研究的发现首次有力地证明了类星体宿主星系存在强大的分子气体外流，并对早期宇宙时代的星系演化产生影响。"分子气体是星系的重要组成部分，因为它是恒星形成的燃料，"Salak 总结道。"我们的研究结果表明，类星体能够通过将分子气体喷射到星系际空间来抑制其宿主星系中恒星的形成。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

黑洞在宇宙大爆炸后不到十亿年形成类星体

黑洞在宇宙大爆炸后不到十亿年形成类星体 早期宇宙中似乎不可能存在超大质量黑洞，这已经是个问题了；詹姆斯-韦伯太空望远镜发现了更早的超大质量黑洞星系，这只会让问题变得更糟。在最新的例子中，研究人员利用韦伯望远镜描述了一个由超大质量黑洞驱动的类星体，它存在于宇宙大爆炸后大约7.5亿年。它看起来正常得令人震惊。类星体是宇宙中最亮的天体，由主动进食的超大质量黑洞提供能量。它们周围的星系为它们提供了足够的物质，使它们形成了明亮的吸积盘和强大的喷流，两者都会释放出大量的辐射。它们通常有一部分被尘埃笼罩，尘埃吸收了黑洞释放的部分能量后会发光。这些类星体发出的辐射量非常大，最终会把附近的一些物质完全赶出星系。因此，早期宇宙中存在的这些特征将告诉我们，超大质量黑洞不仅存在于早期宇宙中，而且还与星系融为一体，就像近代的星系一样。但是要研究它们却非常困难。首先，我们发现的超大质量黑洞并不多；只有九颗类星体可以追溯到 8 亿年前的宇宙。由于距离太远，很难分辨出它们的特征，而且宇宙膨胀引起的红移将许多元素的强烈紫外线辐射带到了红外线深处。然而，韦伯望远镜是专门为探测早期宇宙中的天体而设计的，它对这种辐射出现的红外线波长非常敏感。因此，新的研究是基于将韦伯望远镜对准九个早期类星体中第一个被发现的类星体J1120+0641。它看起来并没有什么与众不同，或者至少很像宇宙历史上最近时期的类星体。研究人员对类星体产生的连续辐射进行了分析，发现有明显迹象表明，类星体被嵌入了一个炙热的、布满尘埃的物质甜甜圈中，就像在后来的类星体中看到的那样。这种尘埃的温度略高于一些较新的类星体，但这似乎是这些天体在宇宙历史早期阶段的共同特征。来自吸积盘的辐射在发射光谱中也很明显。通过各种方法估算出的黑洞质量值是太阳质量的109倍，这显然是超大质量黑洞的范畴。还有证据表明，从某些辐射的轻微蓝移来看，类星体正在以大约每秒 350 公里的速度向外喷射物质。有几个奇怪的现象。一是物质似乎还在以每秒约 300 公里的速度向内坠落。这可能是由于吸积盘中的物质远离我们而旋转造成的。但如果是这样的话，在吸积盘的另一侧向我们旋转的物质也应该与之相匹配。这种现象在非常早期的类星体中也曾出现过几次，但研究人员承认这种效应的物理起源尚不清楚。他们提出的一种解释是，整个类星体都在移动，由于早先与另一个超大质量黑洞合并，类星体被震出了星系中心的位置。另一个奇怪的现象是，高度电离碳的外流速度也非常快，大约是类星体后期外流速度的两倍。这种情况以前也出现过，但也没有任何解释。尽管有些奇怪，但这个天体看起来很像近代的类星体，观测结果表明，尘埃环和（吸积盘）的复杂结构可以在宇宙大爆炸后不到 760 Myr 的时间内在（超大质量黑洞）周围建立起来。同样，这也是个问题，因为它表明在宇宙历史的早期，就有一个超大质量黑洞与其宿主星系融为一体。黑洞要想达到这里所看到的大小，就必须突破所谓的"爱丁顿极限"在产生的辐射驱赶掉邻近的物质、掐断黑洞的食物供应之前，黑洞所能吸入的物质数量。这说明有两种可能。一种是这些天体在其历史的大部分时间里摄取的物质远远超过了爱丁顿极限这是我们没有观测到的，而且这颗类星体也绝对不是这样。另一种可能是，它们一开始的质量就很大（大约是太阳质量的104倍），并以更合理的速度不断进食。但我们并不清楚这么大的东西是如何形成的。因此，早期宇宙仍然是一个相当令人困惑的地方。DOI:10.1038/s41550-024-02273-0 ... PC版： 手机版：

韦伯探索宇宙黎明：见证第一批以冷气体为食的星系

韦伯探索宇宙黎明：见证第一批以冷气体为食的星系 这幅插图显示了一个在宇宙大爆炸后几亿年才形成的星系，在重离子时代，气体是透明和不透明的混合体。来自美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的数据显示，这些早期星系附近存在大量冷的中性气体而且这些气体的密度可能比预期的要高。韦伯望远镜在2022年开始观测几个月后，作为其宇宙演化早期释放科学（CEERS）调查的一部分观测到了这些星系。CEERS包括图像和来自其NIRSpec（近红外摄谱仪）上微型遮光器的光谱数据。作为韦伯早期发布科学（ERS）计划的一部分，CEERS的数据被立即发布，以支持类似的发现。资料来源：NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted（STScI）只有詹姆斯-韦伯太空望远镜才能探测和研究这些星系，当宇宙只有几亿年历史时，这些星系就在稠密、不透明的气体中形成了。虽然我们并不清楚第一批恒星开始闪耀的确切时间，但我们知道它们一定是在氢原子和氦原子形成的重组时代（宇宙大爆炸后 38 万年）之后的某个时间，也就是在已知最古老的星系出现之前（宇宙大爆炸后 4 亿年）形成的。第一批恒星发出的紫外线将充满宇宙的中性氢气分解成氢离子和自由电子，开启了重电离时代，结束了宇宙的黑暗时代。资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI研究人员通过分析美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜（NASA's James Webb Space Telescope）的数据，确定了三个星系的位置，它们可能正在积极形成，当时宇宙的年龄只有4亿到6亿年。韦伯的数据显示，这些星系被气体包围，研究人员怀疑这些气体几乎纯粹是氢和氦，它们是宇宙中最早存在的元素。韦伯望远镜的仪器非常灵敏，因此能够探测到这些星系周围异常密集的气体。这些气体最终很可能会为星系中新恒星的形成提供燃料。"这些星系就像是在一片原本中性、不透明的气体海洋中闪闪发光的岛屿，"第一作者、丹麦哥本哈根大学宇宙黎明中心（DAWN）天体物理学助理教授卡斯帕-海因茨（Kasper Heintz）解释说。"如果没有韦伯望远镜，我们就无法观测到这些非常早期的星系，更不用说了解它们的形成过程了。""我们正在摒弃将星系视为孤立生态系统的看法。在宇宙历史的这一阶段，星系都与星系间介质及其原始气体细丝和结构紧密相连，"合著者、同时也是破晓天文台的博士生西蒙娜-尼尔森（Simone Nielsen）补充说。130 多亿年前，在重离子时代，宇宙是一个非常不同的地方。星系之间的气体在很大程度上对高能光不透明，因此很难观测到年轻的星系。随着恒星和年轻星系的不断形成和演化，它们开始改变周围的气体。经过数亿年的时间，气体从中性、不透明的气体转变为电离、透明的气体。资料来源：NASA、ESA、CSA、Joyce Kang（STScI）在韦伯望远镜的图像中，这些星系看起来就像模糊的红色污点，因此额外的数据（即光谱）对研究小组的结论至关重要。这些光谱显示，这些星系发出的光被大量中性氢气吸收。合著者之一、破晓天文台教授达拉赫-沃森（Darach Watson）说："这些气体一定非常广泛，覆盖了星系的很大一部分。这表明我们看到的是中性氢气体聚集成星系的过程。这些气体将继续冷却、凝结，并形成新的恒星。"宇宙大爆炸后的几亿年，也就是所谓的"重离子时代"（Era of Reionization），当时的宇宙与现在截然不同。(恒星和星系之间的气体在很大程度上是不透明的。整个宇宙的气体直到宇宙大爆炸后 10 亿年左右才变得完全透明。星系中的恒星对其周围的气体进行加热和电离，使气体最终变得完全透明。）通过将韦伯的数据与恒星形成模型相匹配，研究人员还发现这些星系主要拥有年轻恒星群。"沃森补充说："我们看到大量气体储层的事实也表明，这些星系还没有足够的时间形成大部分恒星。韦伯不仅实现了推动其开发和发射的任务目标，而且还超越了这些目标。"这些遥远星系的图像和数据在韦伯之前是不可能获得的，"合著者、破晓天文台副教授加布里埃尔-布拉莫尔（Gabriel Brammer）解释说。"另外，当我们第一次瞥见这些数据时，我们对将要发现的东西已经有了很好的感觉我们几乎是靠眼睛来发现的"。还有许多问题需要解决。这些气体具体在哪里？有多少位于星系中心附近，或者星系外围？这些气体是原始的，还是已经充满了更重的元素？未来还有大量研究工作要做。"海因茨说："下一步是建立大型星系统计样本，详细量化星系特征的普遍性和显著性。深深地凝视这幅广阔的图景。它是由詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）用近红外线拍摄的多幅图像拼接而成的它实际上是在活动着。图片来源：NASA、ESA、CSA、Steve Finkelstein（UT Austin）、Micaela Bagley（UT Austin）、Rebecca Larson（UT Austin）、Alyssa Pagan（STScI）研究人员的发现得益于韦伯望远镜的宇宙演化早期发布科学（CEERS）调查，其中包括来自望远镜近红外摄谱仪（NIRSpec）的遥远星系的光谱，并作为韦伯早期发布科学（ERS）计划的一部分立即发布，以支持类似的发现。这项研究成果发表在 2024 年 5 月 24 日出版的《科学》杂志上。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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's James Webb Space Telescope）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：Hakim Atek/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 Abell 2744 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（Hakim Atek）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： 手机版：