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詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和阿爾瑪捕捉到最遙遠的星係原星係團的核心

发表于 2025-11-02 11:57:13 来源：流落失所網

藝術家的印象。學分:uux.cn/築波大學
（神秘的地球uux.cn）據築波大學：對星係中單個恒星如何誕生和消亡、新恒星如何從舊恒星的殘餘中誕生以及星係本身如何成長的研究是天文學中的重要主題，因為它們提供了對我們在宇宙中的根源的洞察。星係團是宇宙中最大的結構之一，是由100多個星係通過相互引力結合在一起的集合體。
對附近星係的觀察表明，一個星係的成長取決於它的環境，因為在星係密集聚集的區域通常可以看到成熟的恒星群體。這被稱為“環境效應”雖然環境效應被認為是理解星係形成和演化的一個重要因素，但這種效應在宇宙曆史中是何時開始的並不為人所知。
理解這一點的關鍵之一是在宇宙誕生後不久觀察星係團的祖先；這些被稱為星係原星係團(以下簡稱原星係團)的星係團由大約10個遙遠的星係組成。幸運的是，天文學讓我們可以像過去一樣觀察遙遠的宇宙。例如，來自130億光年以外的星係的光需要130億年才能到達地球，所以我們現在觀察到的是130億年前那個星係的樣子。
然而，穿越130億光年的光變得更暗，因此觀測它的望遠鏡必須具有高靈敏度和空間分辨率。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和阿爾瑪捕捉到最遙遠的星係原星係團的核心

(左)藝術家對詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和ALMA揭示的原星係團A2744ODz7p9“大都會區”的印象。(右)藝術家對“大都會區”在觀測時間數千萬年後會變成什麽樣的印象。信用:uux.cn/NAOJ
由助理教授Takuya Hashimoto(日本築波大學)和研究員哈維爾·Á·阿爾瓦雷斯-馬爾克斯(西班牙天體生物學中心)領導的一個國際研究小組利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST，觀測可見光和紅外光)和阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA，觀測無線電波)研究了原星係團A2744z7p9OD的“核心區域”。
根據另一個研究小組對JWST的觀測，原星係團A2744z7p9OD被宣布為距離我們131.4億光年的最遠原星係團。“然而，我們還未能觀察到整個核心區域，即大都會區，在這個原星係團中擁有最多數量的星係候選。尚不清楚環境對星係的影響是否始於這個原星係團。所以我們決定將研究集中在核心區域，”橋本說。
研究小組首次使用JWST觀測到了這個原星係團的核心區域。使用NIRSpec，一種觀察從可見光到近紅外波長範圍內光譜的儀器，該團隊進行了積分場光譜觀察，可以同時獲取視場內所有位置的光譜。
該團隊已經成功地從一個邊長為36000光年的四邊形區域中的四個星係中探測到電離的氧離子光([OIII]5008ω)，該區域相當於銀河係半徑的一半。根據這種光的紅移(由於宇宙膨脹導致波長拉長)，這四個星係距離地球的距離被確定為131.4億光年。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和阿爾瑪捕捉到最遙遠的星係原星係團的核心

背景色圖像顯示了原星係團A2744ODz7p9核心區域的光強圖(顏色越紅，發射越強)，由JWST上的NIRCam獲取。圖像的大小大約相當於銀河係半徑的一半。(左)等高線顯示電離氧發出的光的分布，由JWST上的NIRSpec儀器獲得。在131.4億光年外發現了4個星係。(右)等高線顯示了四個星係中三個的塵埃排放分布。圖中左下方的白色圓圈表示ALMA數據的波束大小。鳴謝:uux.cn/JWST(美國航天局、歐空局、加空局)、ALMA(歐洲航天局/NOAJ/NRAO)、T. Hashimoto等人。
“當我們通過檢測幾乎相同距離的氧離子發射來識別四個星係時，我感到很驚訝。領導JWST數據分析的Yuma Sugahara(早稻田大學/NAOJ)說:“核心區域的‘候選星係’確實是最遙遠的原星係團的成員。
此外，研究小組還關注了ALMA的檔案數據，這些數據已經在該地區獲得。這些數據捕捉到了這些遙遠星係中宇宙塵埃的無線電輻射。作為分析的結果，他們檢測到了四個星係中的三個的塵埃排放。
這是迄今為止首次在原星係團成員星係中探測到塵埃排放。星係中的宇宙塵埃被認為是由星係中大質量恒星演化末期的超新星爆炸提供的，它為新的恒星提供了物質。
因此，一個星係中存在大量的塵埃，表明該星係中的許多第一代恒星已經完成了它們的生命，並且該星係正在增長。Luis Colina教授(CSIC-INTA天體生物學中心)描述了這一結果的意義:“在核心區域以外的原星係團成員星係中沒有檢測到宇宙塵埃的發射。結果表明，許多星係聚集在一個小區域內，星係增長加速，這表明環境影響僅在大爆炸後約7億年才存在。”
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和阿爾瑪捕捉到最遙遠的星係原星係團的核心

A2744z7p9OD核心未來的星係形成模擬。(a)在宇宙年齡為6.89億年時，類似於A2744z7p9OD原星團的區域中的氣體密度。(b)對應於JWST觀察到的區域的(A)中核心區域的放大視圖。彩色地圖顯示了氧離子的光分布。(b)到(d)展示模擬物體的演化過程:四個星係逐漸融合，演化成一個更大的物體。鳴謝:uux.cn/T. Hashimoto等人。
此外，研究小組進行了星係形成模擬，從理論上測試了核心區域的四個星係是如何形成和演化的。結果顯示，大爆炸後大約6.8億年，存在一個稠密的氣體粒子區域。在中間形成了四個星係，類似於觀察到的核心區域。為了跟蹤這四個星係的演化，模擬計算了恒星和氣體的運動學、化學反應、恒星形成和超新星等物理過程。
模擬顯示，這四個星係在幾千萬年內合並並演化成一個更大的星係，這是宇宙演化的一個短時間尺度。
“由於我們模擬的高空間分辨率和我們擁有的大量星係樣本，我們成功地再現了核心區域星係的屬性。在未來，我們希望更詳細地探索核心區域的形成機製及其動力學特性，”東京大學的研究生尤裏納·中裏崇宏說，他分析了模擬數據。
哈維爾·Á·阿爾瓦雷斯-馬爾克斯(西班牙天體生物學中心)說:“我們將與ALMA一起對原星係團A2744z7p9OD進行更敏感的觀察，看看是否有任何星係在以前的靈敏度下不可見。我們還將把JWST和阿爾瑪的觀察結果應用到更多的原星係團中，以闡明星係的生長機製，並探索我們在宇宙中的根源，這些觀察結果已經被證明是非常強大的。”
這項工作發表在《天體物理學雜誌快報》上。

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