一个只有3.5亿年历史的星系拥有惊人数量的金属

oahaha

JWST有能力看到宇宙中最古老的星系，正如它的第一张深视野图所示。现在，天体物理学家在其中一个古老的星系中发现了碳。鸣谢:美国国家航空航天局、欧空局、加空局和STScI

（）据今日宇宙（埃文·高夫）：与JWST合作的天体物理学家在大爆炸后仅3.5亿年的星系中发现了数量惊人的金属。这和我们对宇宙的理解有什么关系呢？

宇宙中第一批金属的起源是天体物理学中的一个基本问题。大爆炸后不久，宇宙几乎完全由最简单的元素氢组成。有少量的氦，甚至更少的锂，可能还有极少量的铍。当你看元素周期表时，那是前四个。

在天文学中，所有比氢和氦重的元素都被称为金属。金属产生于恒星，而不是其他地方(除了大爆炸本身产生的极少量金属)。)追踪从大爆炸到现在宇宙金属的形成是天体物理学的基本任务之一。

金属性是我们研究宇宙的一个基本概念。没有金属，岩石行星无法形成。生活也不能。在连续几代的恒星中，宇宙的金属含量增加了。所以有一个潜在的轨迹，源于第一批金属，直接指向我们。

研究古老的星系是詹姆斯·韦伯太空望远镜的主要任务之一。JWST高级深河外巡天(JADES)检查了天空中的一个区域，寻找昏暗的早期星系。通过对宇宙早期星系的回溯，JWST揭示了古老的金属性。

一组研究人员利用JADES观测研究了大爆炸后仅3.5亿年的一个星系，并发现了碳。他们可能还发现了氧和氖，这些都是天文学中的金属。他们的发现发表在arXiv预印本服务器上的一篇新论文中，题为“JADES:富含气体的星系大爆炸后碳富集350 Myr。”第一作者是Francesco D'Eugenio，他是剑桥大学Kavli宇宙学研究所的博士后天体物理学家。



这幅图展示了从大爆炸到现在宇宙纪元的“时间之箭”。根据目前的理论，在由第三族恒星主导的早期宇宙中，几乎没有金属。信用:美国国家航空航天局

宇宙中形成的第一批恒星被称为三族恒星。它们是最古老的恒星，巨大、明亮、炽热，几乎没有金属。他们持有的微量金属来自他们恒星中的第一批超新星。

我们关于第三族恒星的大部分知识都是理论上的，因为这些古老的恒星，在它们古老的星系中，极难观察到。但是JWST有这个能力。它不能识别单个恒星，但它强大的NIRSpec仪器可以通过它们的指示性光信号探测银河系中的不同元素。

这项新研究基于宇宙黎明附近z=12.5的星系，宇宙黎明是宇宙历史上的一个关键时期。当研究人员研究JWST的观测结果时，他们发现银河系中有意想不到的碳含量。它要么在星际介质(ISM)中，要么在环银河介质(CGM)中。)“这是最遥远的金属跃迁探测，也是通过发射线确定的最遥远的红移，”他们解释道。这也是迄今为止发现的“最遥远的化学浓缩证据”。

这一探测直接与我们对无金属的第三族恒星的认识发生碰撞。“C iii的探测——及其高EW(等效宽度)——排除了原始恒星群体的情况，”作者写道。

如果韦伯已经排除了原始的、无金属的人口III恒星的存在，那就是一个大新闻。这是强大的太空望远镜颠覆我们对我们周围看到的宇宙的最佳解释的又一个例子。但这并不完全令人震惊；第三族恒星的存在是理论上的。考虑到我们对宇宙的其他了解，它们的存在是有意义的。

但是《第三人口》中的明星从来都不是必然的。



这位艺术家的插图显示了一个超大质量黑洞及其活跃的星系核。鸣谢:美国国家航空航天局/戈达德太空飞行中心概念图像实验室

当这样的东西被发现时，科学家们会煞费苦心地考虑他们所看到的一切其他可能的解释。

他们真的在这个遥远、古老的星系的恒星中发现了碳吗？或者这些排放背后还有其他原因？古老的星系不仅仅只有恒星。它也是超大质量黑洞(SMBH)的所在地。)当SMBH以物质为食时，它会像活跃的星系核一样明亮地闪耀(AGN。)那个光信号可能就是JWST所看到的。

“此外，在这个星系中已经发现了一个超大质量的吸积黑洞，这表明这种特殊的化学丰度可能主要与其核区域有关，”研究人员解释道。

银河系中还有另一种潜在的碳源。它们是AGB星——渐近巨型分支星。AGB星不像超新星前身那样是大爆炸星，但它们是已经离开主序的大恒星。与超新星相比，AGB恒星产生金属的速度较慢。

但是一颗恒星演变成AGB恒星需要很长时间。当宇宙只有3.5亿岁的时候，没有恒星能够长寿到足以成为agb。“……AGB恒星不可能在这些早期阶段对碳富集有贡献，”作者写道。

最后，研究人员报告了碳的检测结果，但他们不能告诉我们碳的确切来源。他们写道，它们可能是“……来自第三族祖先的第一代超新星的遗产”。



研究中的这个数字说明了一些发现。JWST有各种各样的过滤器和棱镜，用于不同的应用，这使得一些图像对于未经训练的眼睛来说难以阅读。这张照片的主要亮点是绿色的CIII尖峰。信贷:D '尤金尼奥等人2023。

JWST被推到极限来观察这个早期星系。“这种对最远金属过渡的检测，提供了关于化学富集最早阶段的如此珍贵的信息，需要非常长的曝光时间，”作者解释道。由于该星系极度昏暗，JWST时间花了65个小时收集这些数据。

即使有这么多的观察时间，研究人员也只能对他们看到的金属丰度做出尝试性的解释。用65个小时的JWST时间对一个星系进行光谱研究是不太实际的，但这就是JWST需要做的这种精确的光谱研究。这在未来可能会改变。

“然而，在未来，大面积的调查和引力透镜可能有助于识别更多的高红移星系，这些星系足够亮，可以在较短的曝光时间内进行深度光谱跟踪，”研究人员写道。

如果这种情况发生，天体物理学家将会得到更大的样本量。有了这些有价值的数据，也许他们能对这一惊人的发现做出更坚定的解释。