韦布望远镜探测遥远星系中的氧元素

遥远星系中氧元素的天文意义

韦布太空望远镜在最遥远星系中探测到的氧元素究竟意味着什么？

在宇宙大爆炸后不到3亿年的遥远星系中，氧元素广泛存在。这本在意料之中；若其缺失，反倒会令人深感意外。

这张JADESGSz140星系的放大图像中，背景图由詹姆斯韦布太空望远镜（JWST）拍摄，插图则由阿塔卡马大型毫米波亚毫米波阵列（ALMA）拍摄，展示了该早期星系中存在氧元素：目前这是人类已知距离第二遥远的星系。 图片来源：美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）、空间望远镜科学研究所（STScI）、加州大学圣克鲁兹分校布兰特罗伯逊（BrantRobertson）、哈佛史密松天体物理中心本约翰逊（BenJohnson）、剑桥大学桑德罗塔凯拉（SandroTacchella）、哈佛史密松天体物理中心菲尔卡吉尔（PhillCargile）

自投入运行以来，詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）已发现数量远超以往任何望远镜的遥远而原始的星系。 但其中一些星系展现出令人意外的特征：成熟的结构、极高的亮度、显著的发射线，甚至含有丰富的重元素，包括大量氧元素。 尽管有人声称在如此早期的宇宙中探测到氧元素令人惊讶，实则不然。真正令人意外的反而是发现一个完全不含氧的星系——而这恰恰是我们正在努力搜寻的目标。

在科学前沿，常常会出现令人惊喜的新发现。

这张图像展示了CEERS巡天项目观测区域的一部分，由詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）利用近红外相机（NIRCam）拍摄。该视场内包含一个拥有活跃超大质量黑洞的星系：CEERS1019。该黑洞质量约为900万倍太阳质量，其存在可追溯至宇宙年龄不足6亿年时期。它曾是已知最古老的黑洞之一，后续又有更早期的黑洞被发现。 来源：美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）、史蒂夫芬克尔斯坦（德克萨斯大学奥斯汀分校）、米卡埃拉巴格利（德克萨斯大学奥斯汀分校）、丽贝卡拉尔森（德克萨斯大学奥斯汀分校）

詹姆斯韦布空间望远镜凭借其更大的口径和独特的红外探测能力，已多次刷新宇宙观测纪录。

各NIRCam滤光片的系统总透过率初步数据，涵盖詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）光学望远镜单元（OTE）、NIRCam光学系统、分光镜、滤光片及探测器量子效率（QE）等全部环节的贡献。此处透过率指光子转化为电子的效率。通过采用一系列延伸至更长波长（介于1。6至2。0微米之间）的JWST滤光片——该波段远超哈勃空间望远镜的观测极限——JWST能够揭示哈勃完全无法观测到的天体细节。单幅图像中所使用的滤光片数量越多，所能呈现的天体结构与特征就越丰富。 来源：NASAJWSTNIRCam仪器团队

已发现众多比以往更早、更遥远的星系。

这张图像展示了詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）迄今在遥远宇宙中发现的341个小红点星系中的15个。这些星系均展现出相似的特征，但仅存在于宇宙早期；目前尚未在近邻宇宙或宇宙晚期发现此类星系。它们普遍具有较大质量，其中部分星系结构致密，另一些则较为延展；部分星系表现出活动星系核（AGN）活动迹象，而其余则未观测到此类现象。

在许多这类星系中，确实充满了各种意想不到的现象。

JADESGSz140位于顶部小插图框内，处于一个距离更近、更明亮、颜色更偏蓝的星系后方（且略微偏右）。正是凭借詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）强大的光谱分辨能力，才得以将这两个天体清晰分离，从而确认了这一创纪录遥远天体的本质。它发出的光抵达我们时，宇宙年龄仅为约2。85亿至2。9亿年，仅相当于当前宇宙年龄的2。1％。位于其正下方的JADESGSz141，则来自宇宙年龄约为3亿年的时期。与当今大型星系相比，所有早期星系恒星数量都较少，且形态不规则、边界模糊。

它们数量众多，远超最初预期。

图中右下角的蓝色和红色虚线代表当今星系中黑洞与恒星质量之间的关系，而詹姆斯韦布空间望远镜对早期星系的观测数据（以图中其他位置的多色数据点表示）则显著偏离了这一现代关系。这一偏离对超大质量黑洞的种子形成机制及其起源具有重要启示意义。

许多星系显示出其中心存在正在积极吸积物质的超大质量黑洞的迹象。

一个位于詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）拍摄的阿贝尔2744星系团（又称潘多拉星系团）背景中的遥远星系，发出强烈的X射线辐射，其特征与一个质量介于1000万至1亿倍太阳质量之间的黑洞相符。该星系自身的恒星总质量仅与此相当，因此成为揭示早期宇宙中黑洞与星系协同演化关系的首个关键例证。 图片来源：NASACXCSAOÁkosBogdán；红外图像来源：NASACXCSAOL。Frattare与K。Arcand

有些天体甚至具有强烈的发射线，表明存在高温电离等离子体。

这张由韦布空间望远镜（JWST）近红外相机（NIRCam）多种测光滤光片获取的测光图像，呈现了星系JADESGSz131LA。该星系非常明亮，但在波长低于约1。7微米的波段中未探测到任何辐射信号。星际介质对这一较短波长的光具有极强的吸收能力，然而该星系却展现出一条明亮且未被遮蔽的氢发射线，这一现象目前仍令天文学家感到困惑。

然而——这一点非常重要——它们均未显示出真正原始的证据。

该图展示了星系RXJ2129z8HeII的哈勃望远镜、詹姆斯韦布空间望远镜近红外相机（NIRCam）以及詹姆斯韦布空间望远镜近红外光谱仪（NIRSpec）数据的组合结果。此天体的恒星谱呈现出异常强烈的蓝色倾斜特征，但目前尚无充分证据表明其周围存在原始物质，也难以支持其中含有原始的第三星族（即第一代）恒星的观点。截至目前，尚未发现确凿的第三星族恒星证据。

大爆炸之后不久，宇宙中仅有氢和氦以显著丰度存在。

该图展示了宇宙在大爆炸核合成各阶段膨胀与冷却过程中轻元素丰度随时间的演化。当第一批恒星形成时，氢、氘、氦3、氦4和锂7的初始丰度比已由这些早期核过程确定。 图片来源：M。Pospelov与J。Pradler，《核与粒子物理年评》

较重的元素，如碳、氧和铁，只有在恒星形成、演化并最终死亡后才会产生。

一颗质量极大的恒星在其整个生命历程中的结构演化，最终以II型（核心坍缩型）超新星爆发告终——当其核心耗尽核燃料时即发生该爆发。核聚变的最后阶段通常是硅燃烧，仅在极短时间内于核心中生成铁及类铁元素，随后便迅速触发超新星爆发。质量最大的恒星经历核心坍缩超新星的过程最短，通常形成黑洞；而质量相对较小的恒星则演化时间较长，最终只形成中子星。 来源：NicolleRagerFuller／美国国家科学基金会

即便是迄今发现的最早、最原始的星系，也含有这种经过加工的物质的证据。

该图展示了宇宙诞生后约15亿年内的星系，按红移值进行颜色编码，并以星系金属丰度为横坐标、尘埃质量与恒星质量比率为纵坐标进行绘制。大多数低金属丰度星系同时表现出较低的尘埃含量，这类星系被称为GELDAs，在宇宙极早期占据主导地位；而较晚时期、尘埃含量更高的星系则普遍具有更丰富的重元素。

因此，氧气存在于遥远星系JADESGSz140中并不令人意外。

星系JADESGSz140的图像由詹姆斯韦布空间望远镜（背景）和阿塔卡马大型毫米亚毫米波阵（ALMA，插图）联合获取。该星系光谱中探测到明确的氧元素特征谱线，这一结果由两个独立团队利用ALMA对该星系开展观测后分别确认。氧元素的确认存在，标志着迄今在宇宙中所发现的最早期氧元素。 图片来源：美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）、太空望远镜科学研究所（STScI）、加州大学圣克鲁兹分校布兰特罗伯逊（BrantRobertson）、哈佛史密松天体物理中心本约翰逊（BenJohnson）、剑桥大学桑德罗塔切拉（SandroTacchella）、哈佛史密松天体物理中心菲尔卡尔吉尔（PhillCargile）

目前已知距离第二远的星系，被发现含有氧元素。

在已知最遥远的星系中，GNz11和GHZ2属于亮度较高的代表，但其物理尺寸却异常致密；而JADESGSz141则更典型地表现为高亮度且空间延展性较强，据此推断其物理尺度约为1700光年。

事实上，直接探测到这一氧气特征信号，才是此处唯一值得称道的成就。

JADESGSz131LA的NIRSpecPRISM光谱中可分辨出多种谱线特征。位于约1。7微米处的强发射线为莱曼α线；此外，还可识别出碳、氦、氧及碳等元素的谱线。该天体所呈现的显著氢发射线具有独特性，在宇宙诞生后约5亿年内经詹姆斯韦布空间望远镜观测到的所有天体中，尚未发现其他类似案例。

迄今已发现的所有星系均形成于大爆炸之后超过2。5亿年。

这张图像展示了詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）近红外相机（NIRCam）对星系MoMz14的三波段近红外成像。该星系目前是已知距离最远的星系之一。它在波长低于1。8微米的光波段中不可见，而JWST对其光谱进行了观测，成功探测到多个发射线，从而确认其形成于宇宙诞生后仅约2。82亿年之时。

在我们观测到更早、更小、更暗的天体之前，第一代（不含氧的）恒星和星系仍将难以捉摸。

一幅艺术家对宇宙中某区域首次形成恒星时可能景象的构想。随着恒星发光、吸积物质并收缩，会释放出电磁辐射和引力辐射。在恒星内部，气体压力与引力相抗衡，支撑着各层结构以抵抗引力坍缩。恒星形成区域周围是一片黑暗，因为中性原子有效地吸收了所发出的星光，而恒星发出的紫外光则从内部开始逐渐电离周围的物质。 图片来源：PabloCarlosBudassiWikimediaCommons

静默星期一以图像、视觉元素讲述天文故事，文字不超过200字。

BY: Ethan Siegel

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选文：天文志愿文章组-

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自： https://bigthink.com/starts-with-a-bang/oxygen-jwst-most-distant-galaxies/

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