詹姆斯·韦伯太空望远镜发现极早期宇宙中的“宇宙宝石”

拓牛李强

据美国太空网（Robert Lea）：天文学家使用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）在大爆炸后4.6亿年就存在的“宇宙宝石”弧中发现了星团。这标志着首次在一个婴儿星系中发现星团，当时这个138亿年前的宇宙还不到5亿年。

宇宙宝石弧最初由哈勃太空望远镜发现，官方命名为SPT0615-JD1，是一个距离地球约133亿光年的引力透镜婴儿星系。这意味着JWST看到的来自这个星系的光在宇宙生命的97%左右一直在传播到地球。

这一发现背后的国际天文学家团队在宇宙宝石弧中发现了五个年轻的大质量星团。这些星团存在于年轻星系正在经历强烈的恒星形成爆发并发射大量紫外线的时期。这种辐射可能引发了宇宙进化的两个主要阶段之一：宇宙再电离时代。



JWST将SPT-CL J0615?5746星系团视为宇宙宝石的弧线（图片来源：欧空局/韦伯、美国国家航空航天局和加拿大航天局、L.Bradley（STScI）、A.Adamo（斯德哥尔摩大学）和宇宙之春合作）

研究这些五星星团可以教会天文学家很多关于宇宙早期的知识。

斯德哥尔摩大学和瑞典奥斯卡·克莱因中心的Angela Adamo在一份声明中表示：“当我们第一次打开JWST的图像时，我们感到非常惊讶和惊讶。”。“我们看到一小串亮点从一侧镜像到另一侧——这些宇宙宝石就是星团！如果没有JWST，我们就不会知道我们在这么年轻的星系中看到的是星团！”

宇宙宝石弧中新探测到的星团因其质量大、密度大而引人注目。五个星团的密度比附近星团的密度大得多。

爱因斯坦伸出的援助之手

再电离时代是如此重要，因为在这个阶段，宇宙中的第一批光源——早期星系、恒星和以超大质量黑洞为动力的类星体——提供了将电子从充满宇宙的中性氢中分离出来的能量。

新发现的星团位于星系的一个非常小的区域，但对来自该星系的大部分紫外线负责，这意味着像这样的星团可能是再电离的主要驱动因素。

通过研究再电离，科学家可以更多地了解宇宙中形成大规模结构的过程。这可以揭示早期宇宙时期非常平滑的物质分布是如何被天文学家在宇宙后期看到的高度结构化的星系（和星系团）宇宙所取代的。

更具体地说，这五个早期星团可以显示恒星在宇宙幼年时期是在哪里形成的以及它们是如何分布的。研究小组表示，这为在前所未有的距离内研究恒星形成以及婴儿星系的内部运作提供了一个独特的机会。

捕获这些数据的观测项目的首席研究员拉里·布拉德利在声明中说：“JWST在近红外波长下令人难以置信的灵敏度和角分辨率，加上大质量前景星系团提供的引力透镜，使这一发现成为可能。”。“没有其他望远镜能做出这一发现。”

为了看到早期宇宙中存在的遥远物体，JWST使用了爱因斯坦1915年引力理论中的一个原理：广义相对论。



一张图表显示了太空的曲率如何弯曲来自远距离背景光源的光路（图片来源：NASA、ESA和L.Cal?ada）

广义相对论认为，具有质量的物体会导致空间和时间的结构扭曲，而空间和时间是一个被称为“时空”的四维实体。一个物体的质量越大，它引起的时空扭曲就越大。

当来自背景光源的光经过这种扭曲时，其路径会变弯。光线越靠近扭曲对象，其路径就越弯曲。因此，来自单个物体的光可以在不同的时间多次到达观测者，如JWST。

这意味着光源可以出现在同一图像中的多个位置，将其位置转移到明显的位置，或者，最有用的是，将其光放大。后一种现象称为“引力透镜”，位于遥远背景物体和地球之间的物体被称为“透镜物体”

在这种情况下，透镜物体是一个名为SPT-CL J0615?5746的透镜星系团，背景物体是宇宙宝石、它们的星团和两个遥远的透镜星系。

阿达莫说：“宇宙宝石弧的特殊之处在于，由于引力透镜的作用，我们实际上可以将星系分解到秒差距尺度！”。



宇宙宝石弧包含早期星团，在左侧被引力透镜拍摄（图片来源：欧空局/韦伯、美国国家航空航天局和加拿大航天局、L.Bradley（STScI）、A.Adamo（斯德哥尔摩大学）和宇宙之春合作）

球状星团是如何聚集在一起的？

JWST对早期星团的观测带来了一项有希望的后续研究，该研究涉及被称为“球状星团”的恒星排列是如何形成的。正如在我们的银河系中看到的那样，球状星团是早期宇宙中恒星形成强烈爆发的古老遗迹。

科学家们并不完全确定这些由紧密堆积、受引力束缚的恒星组成的球形星团是如何聚集在一起的，但关键可能是宇宙宝石弧中大质量、致密的年轻星团很可能是球状星团形成的开始阶段。这意味着它们可以为了解球状星团诞生的早期阶段提供一个非常有用的窗口。

这五个星团也有助于理解宇宙进化的其他方面。

阿达莫说：“在星团中发现的高恒星密度为我们提供了它们内部发生过程的第一个迹象，为大质量恒星和黑洞种子的可能形成提供了新的见解，这对星系演化都很重要。”。

宇宙宝石弧的研究将继续进行，这项研究的团队已经计划在耗资100亿美元的太空望远镜运行的第三周期使用JWST的近红外光谱仪（NIRSpec）和中红外仪器（MIRI）观测这个早期星系。

布拉德利说：“NIRSpec观测将使我们能够确认星系的红移，并研究星团的紫外线发射，这将用于更详细地研究它们的物理性质。”。“MIRI的观测结果将使我们能够研究电离气体的性质。”

这些光谱观测应该可以揭示这个新生星系的活动场所恒星形成的强度。

这项研究背后的天文学家现在也打算研究其他星系，以寻找与这五个星系相似的星团。

美国国家天体物理研究所的团队成员Eros Vanzella说：“我相信，在早期宇宙中还有其他类似的系统等待着被发现，这使我们能够进一步了解早期星系。”。

该团队的研究于周一（6月24日）发表在《自然》杂志上。