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一個只有3.5億年歷史的星系擁有驚人數量
JWST有能力看到宇宙中最古老的星系﹐正如它的第一張深視野圖所示。現在天體物理學家在其中一個古老的星系中發現了碳。與JWST合作的天體物理學家在大爆炸後僅3.5億年的星系中發現了數量驚人的金屬。這和我們對宇宙的理解有什麼關係呢﹖
宇宙中第一批金屬的起源是天體物理學中的一個基本問題。大爆炸後不久﹐宇宙幾乎完全由最簡單的元素氫組成。有少量的氦﹐甚至更少的鋰﹐可能還有極少量的鈹。在天文學中﹐所有比氫和氦重的元素都被稱為金屬。金屬產生於恆星﹐而不是其他地方(除了大爆炸本身產生的極少量金屬)。)追蹤從大爆炸到現在宇宙金屬的形成是天體物理學的基本任務之一。
金屬性是我們研究宇宙的一個基本概念。沒有金屬﹐岩石行星無法形成。在連續幾代的恆星中﹐宇宙的金屬含量增加了。所以有一個潛在的軌跡﹐源於第一批金屬﹐直接指向我們。研究古老的星系是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的主要任務之一。JWST高級深河外巡天(JADES)檢查了天空中的一個區域﹐尋找昏暗的早期星系。通過對宇宙早期星系的回溯﹐JWST揭示了古老的金屬性。
一組研究人員利用JADES觀測研究了大爆炸後僅3.5億年的一個星系並發現了碳。他們可能還發現了氧和氖﹐這些都是天文學中的金屬。
宇宙中形成的第一批恆星被稱為三族恆星。它們是最古老的恆星﹐巨大﹑明亮﹑熾熱﹐幾乎沒有金屬。他們持有的微量金屬來自他們恆星中的第一批超新星。關於第三族恆星的大部分知識都是理論上的﹐因為這些古老的恆星﹐在它們古老的星系中﹐極難觀察到。但是JWST有這個能力。它不能識別單個恆星﹐但它強大的NIRSpec儀器可以通過它們的指示性光信號探測銀河系中的不同元素。
這項新研究基於宇宙黎明附近z=12.5的星系﹐宇宙黎明是宇宙歷史上的一個關鍵時期。當研究人員研究JWST的觀測結果時﹐他們發現銀河系中有意想不到的碳含量。它要麼在星際介質(ISM)中﹐要麼在環銀河介質(CGM)中。)「這是最遙遠的金屬躍遷探測﹐也是通過發射線確定的最遙遠的紅移﹐」研究團隊解釋道。這也是迄今為止發現的「最遙遠的化學濃縮證據」。
這一探測直接與我們對無金屬的第三族恆星的認識發生碰撞。「C iii的探測——及其高EW(等效寬度)——排除了原始恆星群體的情況﹐」科研人員道。
如果韋伯已經排除了原始﹑無金屬的人口Ⅲ恆星的存在﹐那就是一個大新聞。這是強大的太空望遠鏡顛覆我們對我們周圍看到的宇宙的最佳解釋的又一個例子。但這並不完全令人震驚﹔第三族恆星的存在是理論上的。考慮到我們對宇宙的其他瞭解﹐它們的存在是有意義的。
當這樣的東西被發現時﹐科學家們會煞費苦心地考慮他們所看到的一切其他可能的解釋。他們真的在這個遙遠﹑古老的星系的恆星中發現了碳嗎﹖或者這些排放背後還有其他原因﹖古老的星系不僅僅只有恆星。它也是超大質量黑洞(SMBH)的所在地。當SMBH以物質為食時﹐它會像活躍的星系核一樣明亮地閃耀﹐那個光信號可能就是JWST所看到的。
「此外﹐在這個星系中已經發現了一個超大質量的吸積黑洞﹐這表明這種特殊的化學丰度可能主要與其核區域有關﹐」研究人員解釋道。
銀河系中還有另一種潛在的碳源。它們是AGB星漸近巨型分支星。AGB星不像超新星前身那樣是大爆炸星﹐但它們是已經離開主序的大恆星。與超新星相比﹐AGB恆星產生金屬的速度較慢。但是一顆恆星演變成AGB恆星需要很長時間。當宇宙只有3.5億歲的時候﹐沒有恆星能夠長壽到足以成為AGB。「… …AGB恆星不可能在這些早期階段對碳富集有貢獻﹐」研究人員表示。
最後﹐研究人員報告了碳的檢測結果﹐但他們不能告訴我們碳的確切來源。他們寫道﹐它們可能是「… …來自第三族祖先的第一代超新星的遺產」。研究中的這個數字說明了一些發現。
JWST被推到極限來觀察這個早期星系。這種對最遠金屬過渡的檢測﹐提供了關於化學富集最早階段的如此珍貴的信息﹐需要非常長的曝光時間﹐由於該星系極度昏暗﹐JWST時間花了65個小時收集這些數據。即使有這麼多的觀察時間﹐研究人員也只能對他們看到的金屬丰度做出嘗試性的解釋。用65個小時的JWST時間對一個星系進行光譜研究是不太實際的﹐但這就是JWST需要做的這種精確的光譜研究。這在未來可能會改變。
「然而﹐在未來大面積的調查和引力透鏡可能有助於識別更多的高紅移星系﹐這些星系足夠亮﹐可以在較短的曝光時間內進行深度光譜跟蹤﹐」研究人員寫道。如果這種情況發生﹐天體物理學家將會得到更大的樣本量。有了這些有價值的數據﹐也許他們能對這一驚人的發現做出更堅定的解釋。
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