詹姆斯·韦伯太空望远镜和阿尔玛捕捉到最遥远的星系原星系团的核心

第三只手烈

艺术家的印象。学分:筑波大学

（）据筑波大学：对星系中单个恒星如何诞生和消亡、新恒星如何从旧恒星的残余中诞生以及星系本身如何成长的研究是天文学中的重要主题，因为它们提供了对我们在宇宙中的根源的洞察。星系团是宇宙中最大的结构之一，是由100多个星系通过相互引力结合在一起的集合体。

对附近星系的观察表明，一个星系的成长取决于它的环境，因为在星系密集聚集的区域通常可以看到成熟的恒星群体。这被称为“环境效应”虽然环境效应被认为是理解星系形成和演化的一个重要因素，但这种效应在宇宙历史中是何时开始的并不为人所知。

理解这一点的关键之一是在宇宙诞生后不久观察星系团的祖先；这些被称为星系原星系团(以下简称原星系团)的星系团由大约10个遥远的星系组成。幸运的是，天文学让我们可以像过去一样观察遥远的宇宙。例如，来自130亿光年以外的星系的光需要130亿年才能到达地球，所以我们现在观察到的是130亿年前那个星系的样子。

然而，穿越130亿光年的光变得更暗，因此观测它的望远镜必须具有高灵敏度和空间分辨率。



(左)艺术家对詹姆斯·韦伯太空望远镜和ALMA揭示的原星系团A2744ODz7p9“大都会区”的印象。(右)艺术家对“大都会区”在观测时间数千万年后会变成什么样的印象。信用:NAOJ

由助理教授Takuya Hashimoto(日本筑波大学)和研究员哈维尔·á·阿尔瓦雷斯-马尔克斯(西班牙天体生物学中心)领导的一个国际研究小组利用詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST，观测可见光和红外光)和阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA，观测无线电波)研究了原星系团A2744z7p9OD的“核心区域”。

根据另一个研究小组对JWST的观测，原星系团A2744z7p9OD被宣布为距离我们131.4亿光年的最远原星系团。“然而，我们还未能观察到整个核心区域，即大都会区，在这个原星系团中拥有最多数量的星系候选。尚不清楚环境对星系的影响是否始于这个原星系团。所以我们决定将研究集中在核心区域，”桥本说。

研究小组首次使用JWST观测到了这个原星系团的核心区域。使用NIRSpec，一种观察从可见光到近红外波长范围内光谱的仪器，该团队进行了积分场光谱观察，可以同时获取视场内所有位置的光谱。

该团队已经成功地从一个边长为36000光年的四边形区域中的四个星系中探测到电离的氧离子光([OIII]5008ω)，该区域相当于银河系半径的一半。根据这种光的红移(由于宇宙膨胀导致波长拉长)，这四个星系距离地球的距离被确定为131.4亿光年。



背景色图像显示了原星系团A2744ODz7p9核心区域的光强图(颜色越红，发射越强)，由JWST上的NIRCam获取。图像的大小大约相当于银河系半径的一半。(左)等高线显示电离氧发出的光的分布，由JWST上的NIRSpec仪器获得。在131.4亿光年外发现了4个星系。(右)等高线显示了四个星系中三个的尘埃排放分布。图中左下方的白色圆圈表示ALMA数据的波束大小。鸣谢:JWST(美国航天局、欧空局、加空局)、ALMA(欧洲航天局/NOAJ/NRAO)、T. Hashimoto等人。

“当我们通过检测几乎相同距离的氧离子发射来识别四个星系时，我感到很惊讶。领导JWST数据分析的Yuma Sugahara(早稻田大学/NAOJ)说:“核心区域的‘候选星系’确实是最遥远的原星系团的成员。

此外，研究小组还关注了ALMA的档案数据，这些数据已经在该地区获得。这些数据捕捉到了这些遥远星系中宇宙尘埃的无线电辐射。作为分析的结果，他们检测到了四个星系中的三个的尘埃排放。

这是迄今为止首次在原星系团成员星系中探测到尘埃排放。星系中的宇宙尘埃被认为是由星系中大质量恒星演化末期的超新星爆炸提供的，它为新的恒星提供了物质。

因此，一个星系中存在大量的尘埃，表明该星系中的许多第一代恒星已经完成了它们的生命，并且该星系正在增长。Luis Colina教授(CSIC-INTA天体生物学中心)描述了这一结果的意义:“在核心区域以外的原星系团成员星系中没有检测到宇宙尘埃的发射。结果表明，许多星系聚集在一个小区域内，星系增长加速，这表明环境影响仅在大爆炸后约7亿年才存在。”



A2744z7p9OD核心未来的星系形成模拟。(a)在宇宙年龄为6.89亿年时，类似于A2744z7p9OD原星团的区域中的气体密度。(b)对应于JWST观察到的区域的(A)中核心区域的放大视图。彩色地图显示了氧离子的光分布。(b)到(d)展示模拟物体的演化过程:四个星系逐渐融合，演化成一个更大的物体。鸣谢:T. Hashimoto等人。

此外，研究小组进行了星系形成模拟，从理论上测试了核心区域的四个星系是如何形成和演化的。结果显示，大爆炸后大约6.8亿年，存在一个稠密的气体粒子区域。在中间形成了四个星系，类似于观察到的核心区域。为了跟踪这四个星系的演化，模拟计算了恒星和气体的运动学、化学反应、恒星形成和超新星等物理过程。

模拟显示，这四个星系在几千万年内合并并演化成一个更大的星系，这是宇宙演化的一个短时间尺度。

“由于我们模拟的高空间分辨率和我们拥有的大量星系样本，我们成功地再现了核心区域星系的属性。在未来，我们希望更详细地探索核心区域的形成机制及其动力学特性，”东京大学的研究生尤里纳·中里崇宏说，他分析了模拟数据。

哈维尔·á·阿尔瓦雷斯-马尔克斯(西班牙天体生物学中心)说:“我们将与ALMA一起对原星系团A2744z7p9OD进行更敏感的观察，看看是否有任何星系在以前的灵敏度下不可见。我们还将把JWST和阿尔玛的观察结果应用到更多的原星系团中，以阐明星系的生长机制，并探索我们在宇宙中的根源，这些观察结果已经被证明是非常强大的。”

这项工作发表在《天体物理学杂志快报》上。