2021年12月25日，經(jīng)過多年的期待，詹姆斯-韋伯太空望遠鏡(JWST)終于發(fā)射到太空。在隨后的6個月里，這個首要的下一代天文臺展開了它的遮陽板、部署了它的主鏡和副鏡、對準了它的鏡段并飛到了它目前在地球-太陽拉格朗日2(L2)_點的位置。
2022年7月12日，第一批圖像被發(fā)布并呈現(xiàn)出最詳細的宇宙視圖。此后不久，NASA發(fā)布了一張有史以來觀察到的最遙遠的星系的圖像。
根據(jù)一個國際科學(xué)家團隊的新研究，JWST將使天文學(xué)家能夠獲得早期星系的精確質(zhì)量測量。通過使用來自詹姆斯-韋伯的近紅外相機(NIRCam)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過GLASS-JWST-Early Release Science（GLASS-ERT）計劃提供，該團隊獲得了一些遙遠星系的質(zhì)量估計值，這比以前的測量值要精確許多倍。他們的發(fā)現(xiàn)說明了韋伯將如何徹底改變我們對宇宙中最早的星系如何成長和演變的理解。
正如科學(xué)家們在他們的研究中指出的那樣，恒星質(zhì)量是了解星系形成和演化的最重要的物理特性之一。它測量的是一個星系中的恒星總量，這些恒星通過氣體和塵埃轉(zhuǎn)化為新的恒星而不斷增加。因此，它是追蹤一個星系成長的最直接手段。通過比較對宇宙中最古老的星系的觀測，天文學(xué)家可以研究星系是如何演變的。
然而不幸的是，對于天體物理學(xué)家來說，獲得這些早期星系的精確測量一直是一個難題。通常情況下，天文學(xué)家會進行質(zhì)光比(M/L)測量–即用一個星系產(chǎn)生的光來估計其中恒星的總質(zhì)量–而不是在逐個星源的基礎(chǔ)上計算恒星的質(zhì)量。迄今為止，哈勃太空望遠鏡對最遙遠的星系–如GN-z11，它形成于約135億年前–進行的研究僅限于紫外線(UV)光譜。
這是因為來自這些古老星系的光線在到達我們這里時經(jīng)歷了明顯的紅移。這意味著，當光線穿過時空時，由于宇宙的膨脹，其波長變長，有效地將其轉(zhuǎn)向光譜的紅色端。對于紅移值(z)為7或更高的星系–距離為13.46光年或更遠–大部分光線將被轉(zhuǎn)移到只在光譜的紅外部分可見。
Santini通過電子郵件解釋稱：“星系中的大部分恒星，那些對其恒星質(zhì)量貢獻最大的恒星，都是以光學(xué)-近紅外(NIR)波長發(fā)射的……當光線從一個遙遠的星系到達我們的望遠鏡時，其恒星所發(fā)射的光線已經(jīng)不再是光學(xué)系統(tǒng)了。例如對于一個z=7的星系來說，最初在0.6微米處發(fā)出的光，到達我們的望遠鏡時的波長為4.8微米。紅移越高（即星系越遠），這種效應(yīng)就越強。這意味著我們需要紅外探測器來測量星系的恒星質(zhì)量（其大部分恒星發(fā)出的光是哈勃太空望遠鏡所不能及的）。在JWST出現(xiàn)之前，我們唯一的紅外望遠鏡是斯皮策太空望遠鏡，幾年前被解雇。然而它的85厘米鏡面跟JWST的6.5米鏡面無法相比。大多數(shù)遙遠的星系也是斯皮策望不到的：由于其有限的靈敏度和角度分辨率，它們在其圖像上沒有被探測到（或受到高噪音的影響）?！?/p>
此外，以前的調(diào)查可能會錯過很大一部分本質(zhì)上是紅色的星系，這些星系富含灰塵（遮擋光線），在紫外光譜中很暗。因此，以前對早期宇宙的宇宙恒星質(zhì)量密度的估計可能會有六倍的偏差。但由于其先進的紅外儀器套件和無與倫比的靈敏度，JWST準備為研究宇宙中最古老和最微弱的星系打開“一扇新的窗口”。正如Santini所言，韋伯將首次實現(xiàn)對最遠距離的星系質(zhì)量的精確測量。
Santini和她的國際研究團隊在研究中依靠NIRCam在2022年6月28日至29日獲得的圖像作為其第一組觀測的一部分。然后，他們通過探測紫外線發(fā)射和紅移光測量了21個遙遠星系的恒星質(zhì)量（其紅移范圍從6.7到12.3）。正如Santini所指出的，這使他們能夠避免過去調(diào)查中的巨大推斷和不確定性并將其質(zhì)量測量的準確性提高了5到10倍。
這些結(jié)果則都是最早的詹姆斯-韋伯觀測中出現(xiàn)的越來越多的科學(xué)研究的一部分，這表明這項任務(wù)將非常關(guān)鍵。在這種情況下，對星系中的恒星質(zhì)量提供更嚴格限制的估計的能力將極大地幫助從事最大和最長尺度的宇宙研究的天文學(xué)家。
Santini說道：“主要的含義是，以前關(guān)于星系中質(zhì)量增長過程的結(jié)果可能受到重大系統(tǒng)性的影響。在我們的工作中，我們評估了，如影響宇宙恒星質(zhì)量密度的系統(tǒng)不確定性水平。后者描述了宇宙中星系作為時間的函數(shù)的全球增長情況。它在早期紀元的評估受制于不同工作的巨大差異。我們發(fā)現(xiàn)，由標準質(zhì)量比的假設(shè)導(dǎo)致的系統(tǒng)不確定性可以高達幾倍，跟我們旨在達到的精度水平相比，絕對是太大了，它至少可以部分地解釋文獻結(jié)果的不匹配?！?/p>
截止到目前，韋伯已經(jīng)通過捕捉最清晰和最詳細的宇宙圖像來證明其光學(xué)能力，這些圖像已經(jīng)導(dǎo)致了新的發(fā)現(xiàn)。它的光譜儀已經(jīng)獲得了來自一顆遙遠的系外行星的光譜，展示了它將如何協(xié)助確定系外行星大氣層的特征，另外還確定了它們是否真正“適合居住”。這項最新的研究表明，它還將在確定宇宙中最早的星系的特征、它們后來是如何演變的及暗物質(zhì)和暗能量可能發(fā)揮的作用方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。
