2021年12月25日，經(jīng)過(guò)多年的期待，詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)終于發(fā)射到太空。在隨后的6個(gè)月里，這個(gè)首要的下一代天文臺(tái)展開(kāi)了它的遮陽(yáng)板、部署了它的主鏡和副鏡、對(duì)準(zhǔn)了它的鏡段并飛到了它目前在地球-太陽(yáng)拉格朗日2(L2)_點(diǎn)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(xì)的宇宙視圖。此后不久，NASA發(fā)布了一張有史以來(lái)觀察到的最遙遠(yuǎn)的星系的圖像。

根據(jù)一個(gè)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)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(cè)量。通過(guò)使用來(lái)自詹姆斯-韋伯的近紅外相機(jī)(NIRCam)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過(guò)GLASS-JWST-Early Release Science（GLASS-ERT）計(jì)劃提供，該團(tuán)隊(duì)獲得了一些遙遠(yuǎn)星系的質(zhì)量估計(jì)值，這比以前的測(cè)量值要精確許多倍。他們的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明了韋伯將如何徹底改變我們對(duì)宇宙中最早的星系如何成長(zhǎng)和演變的理解。

正如科學(xué)家們?cè)谒麄兊难芯恐兄赋龅哪菢樱?span id="xnaoi39" class="wpcom_tag_link">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(cè)量的是一個(gè)星系中的恒星總量，這些恒星通過(guò)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(gè)星系成長(zhǎng)的最直接手段。通過(guò)比較對(duì)宇宙中最古老的星系的觀測(cè)，天文學(xué)家可以研究星系是如何演變的。

然而不幸的是，對(duì)于天體物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，獲得這些早期星系的精確測(cè)量一直是一個(gè)難題。通常情況下，天文學(xué)家會(huì)進(jìn)行質(zhì)光比(M/L)測(cè)量–即用一個(gè)星系產(chǎn)生的光來(lái)估計(jì)其中恒星的總質(zhì)量–而不是在逐個(gè)星源的基礎(chǔ)上計(jì)算恒星的質(zhì)量。迄今為止，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)最遙遠(yuǎn)的星系–如GN-z11，它形成于約135億年前–進(jìn)行的研究?jī)H限于紫外線(UV)光譜。

這是因?yàn)閬?lái)自這些古老星系的光線在到達(dá)我們這里時(shí)經(jīng)歷了明顯的紅移。這意味著，當(dāng)光線穿過(guò)時(shí)空時(shí)，由于宇宙的膨脹，其波長(zhǎng)變長(zhǎng)，有效地將其轉(zhuǎn)向光譜的紅色端。對(duì)于紅移值(z)為7或更高的星系–距離為13.46光年或更遠(yuǎn)–大部分光線將被轉(zhuǎn)移到只在光譜的紅外部分可見(jiàn)。

Santini通過(guò)電子郵件解釋稱(chēng)：“星系中的大部分恒星，那些對(duì)其恒星質(zhì)量貢獻(xiàn)最大的恒星，都是以光學(xué)-近紅外(NIR)波長(zhǎng)發(fā)射的……當(dāng)光線從一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系到達(dá)我們的望遠(yuǎn)鏡時(shí)，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(duì)于一個(gè)z=7的星系來(lái)說(shuō)，最初在0.6微米處發(fā)出的光，到達(dá)我們的望遠(yuǎn)鏡時(shí)的波長(zhǎng)為4.8微米。紅移越高（即星系越遠(yuǎn)），這種效應(yīng)就越強(qiáng)。這意味著我們需要紅外探測(cè)器來(lái)測(cè)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(yuǎn)鏡所不能及的）。在JWST出現(xiàn)之前，我們唯一的紅外望遠(yuǎn)鏡是斯皮策太空望遠(yuǎn)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(wú)法相比。大多數(shù)遙遠(yuǎn)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?cè)谄鋱D像上沒(méi)有被探測(cè)到（或受到高噪音的影響）?！?/p>

此外，以前的調(diào)查可能會(huì)錯(cuò)過(guò)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(duì)早期宇宙的宇宙恒星質(zhì)量密度的估計(jì)可能會(huì)有六倍的偏差。但由于其先進(jìn)的紅外儀器套件和無(wú)與倫比的靈敏度，JWST準(zhǔn)備為研究宇宙中最古老和最微弱的星系打開(kāi)“一扇新的窗口”。正如Santini所言，韋伯將首次實(shí)現(xiàn)對(duì)最遠(yuǎn)距離的星系質(zhì)量的精確測(cè)量。

Santini和她的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)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(cè)的一部分。然后，他們通過(guò)探測(cè)紫外線發(fā)射和紅移光測(cè)量了21個(gè)遙遠(yuǎn)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(guò)去調(diào)查中的巨大推斷和不確定性并將其質(zhì)量測(cè)量的準(zhǔn)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(cè)中出現(xiàn)的越來(lái)越多的科學(xué)研究的一部分，這表明這項(xiàng)任務(wù)將非常關(guān)鍵。在這種情況下，對(duì)星系中的恒星質(zhì)量提供更嚴(yán)格限制的估計(jì)的能力將極大地幫助從事最大和最長(zhǎng)尺度的宇宙研究的天文學(xué)家。

Santini說(shuō)道：“主要的含義是，以前關(guān)于星系中質(zhì)量增長(zhǎng)過(guò)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?cè)u(píng)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(shí)間的函數(shù)的全球增長(zhǎng)情況。它在早期紀(jì)元的評(píng)估受制于不同工作的巨大差異。我們發(fā)現(xiàn)，由標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量比的假設(shè)導(dǎo)致的系統(tǒng)不確定性可以高達(dá)幾倍，跟我們旨在達(dá)到的精度水平相比，絕對(duì)是太大了，它至少可以部分地解釋文獻(xiàn)結(jié)果的不匹配。”

截止到目前，韋伯已經(jīng)通過(guò)捕捉最清晰和最詳細(xì)的宇宙圖像來(lái)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(lái)自一顆遙遠(yuǎn)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(xiàng)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(lái)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。