如何测量星系的距离？

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原作者：Micaela Bagley

翻译：何永强

校对：方芊、李宜骅

编排：王璞

后台：李子琦

原文链接：https://phys.org/news/2023-12-distances-galaxies-space-telescopes.html

左图是用六个宽带成像滤光片计算测光红移的示意图。灰色的线是一个有强烈的光谱跳变和发射线的星系模型光谱。顶部和底部分别是发射和观测的光的波长。光谱向红端移动(或拉长)了10倍。近红外相机滤光片的透过率和波长范围用彩色的阴影表示。我们测量了每个滤光片(圆点)的平均亮度，并用不同的星系模型在多个红移区间来拟合这六个数据点，以得到星系在每个红移的可能性。这个星系的最佳测光红移是9(宇宙5.5亿年)，但概率分布(右图)涵盖了7-11(宇宙4.2至7.7亿年)的红移区间。

图片来源:Micaela Bagley

詹姆斯·韦布太空望远镜的科学目标之一是了解早期宇宙中的星系是如何形成并演化成像我们银河系这样更大的星系的。这一目标要求我们识别宇宙历史上不同时刻的星系样本，来研究它们的性质如何随时间演变。

我们请德克萨斯大学奥斯汀分校的博士后米凯拉·巴格利解释，天文学家是如何分析来自遥远星系的光，并确定我们观测的星系 属于“宇宙过去的哪个阶段”。

“光在太空中传播需要时间。当来自遥远星系或太空中任何物体的光到达我们时，我们看到的是这个星系过去的样子。我们根据星系的红移来推算它们的年代。

“红移可以告诉我们光到达我们的过程中花了多少时间，由于宇宙的膨胀，光的波长被拉得更长。我们可以利用星系光谱中的特征来计算红移，这是一种按波长分解目标光的观测方法，本质上是以非常小的间隔对光进行采样。我们可以测量发射线和光谱跳变（特定波长处光强的突变），并将观测到的波长与已知的发射波长进行比较。

“识别星系最有效的方法之一是通过成像，例如使用天文台的近红外相机。我们使用多个滤光片来收集天体的几种不同颜色的光。当我们对一个星系测光，或者它在图像中的亮度时，我们测量的是天体在滤光片下的所有波长的平均亮度。我们可以用近红外相机的宽带成像滤光片观测星系，但是每0.3-1.0微米的波长范围内都有很多细节被遗漏了。

“然后我们可以开始限制星系光谱的形状。光谱的形状受到几个特性的影响，包括星系中有多少恒星正在形成，星系中有多少尘埃，以及星系的光发生了多少红移。我们将每个滤光片中测量到的星系亮度与一组星系模型的预测亮度进行比较，这些模型跨越了一系列红移范围内的一系列特性。根据模型与数据的匹配程度，我们可以确定星系处于指定红移或“历史时刻”的概率。通过这种分析确定的最佳拟合的红移称为测光红移。

在2022年7月，研究小组使用来自CEERS巡天的近红外相机图像来识别两个测光红移大于11的星系，意味着它们形成于宇宙不足4.2亿年的时代。这两个天体都没有被NASA的哈勃太空望远镜探测到，可能是因为它们太暗了，或许只能在哈勃望远镜灵敏度之外的波长上探测到。这些都是新望远镜的惊人发现。

在早期近红外相机成像中发现的两个星系，测光红移分别为11.5和16.4，对应于宇宙3.9亿年和2.4亿年的阶段。对于每个星系，研究小组在顶部显示了所有可用滤光片的图像截图，光度测量，最佳拟合的星系模型，并且插入了测光红移概率分布图。

图片来源:上图-Finkelstein et al (2023);下图- donnan et al (2023)

“然而，星系的测光红移有些不确定。例如，我们可以确定滤光片中存在光谱跳变，但不能确定该跳变的精确波长。虽然我们可以根据模拟测光来估计最佳拟合的红移，但得到的概率分布通常很宽。

此外，不同红移的星系在宽带滤光片中可能具有相似的颜色，这使得仅根据测光很难区分它们的红移。例如，红移小于5的红色尘埃星系（或宇宙年龄为11亿年或更老）和我们银河系中的冷恒星有时可以模仿高红移星系的相同颜色。因此，我们认为所有根据测光红移选择的星系都是高红移候选者，直到我们能够获得更精确的红移。

“我们可以通过获得光谱来确定星系更精确的红移。如下图所示，我们对红移概率分布的计算随着我们以更精细的波长步骤测量星系的光度而改进。当我们从使用宽带滤光片进行成像（上）到使用大量更窄的滤光片（中），再到频谱（下）时，概率分布变窄了。在最下面一行中，我们可以开始选择特定的特征，如最左边的光谱跳变和发射线，以获得非常精确的红移概率分布——光谱红移。

当我们测量一个星系(左图)的光度时，红移概率分布(右图)是如何以更精细的波长步骤缩小的。

图片来源:Micaela Bagley

“CEERS团队在2023年2月用近红外光谱仪对他们的高红移星系候选体进行了观测，以测量精确的光谱红移。他们发现一个候选者（梅西星系）的红移是11.4，对应于宇宙3.9亿年的时期，而另一个候选者的红移只有4.9，相当于宇宙12亿年的时期。

我们用近红外光谱仪观测了两个高红移星系的候选者。最上面的图是梅西星系，它位于左边，红移为11.44，相当于宇宙年龄约3.9亿年。我们根据右边的图中红色虚线标出的光谱跳变来确定它的红移。最下面的图是Donnan等人(2023)发现的一个候选对象，它的红移为4.9，由于有强烈的[OIII]和Hα发射线而被选中。

图片来源:图2和图3来自Arrabal Haro et al (2023)

发现高红移星系实际上是低红移星系，也是非常有意义的。它们让我们可以更深入地探索星系的环境，以及这些环境对星系测光的影响，可以优化我们的星系光谱模型，并约束星系在不同红移下的演化过程。但是，它们也说明了我们有必要通过光谱来验证高红移星系的候选对象。

责任编辑：杨欣冉

牧夫新媒体编辑部

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韦布太空望远镜的蓝图

Ⓒ NASA

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