卷出新高度韦布空间望远镜发现破纪录的古老

最近,天文学家宣布发现一个红移高达13的星系,当时的宇宙年龄约为3.3亿年。此前,保持纪录的是红移约为11的星系,它所处的宇宙的年龄约为4.2亿年。韦布将人类看到的最远星系往宇宙诞生时刻方向推进了约1亿年。这只是韦布的一个轻松的开端。我们可以预期的是,开了挂的韦布将在未来很短的时间内获得更大的突破,带领人类破解极早期宇宙的奥秘。

撰文

王善钦

年7月12日,韦布望远镜(JamesWebbSpaceTelescope,简称JWST或“韦布”)得到的第一批图像在万众瞩目的盛况中被正式公布。这批照片不仅震撼了天文圈子里的专业人士,也震撼了圈外的众多吃瓜群众。

图:年,被拼装好的韦布的主镜以及被折叠的副镜与支架。丨图源:NASA

然而,一瓜未落,一瓜又起:7月20日,哈佛大学的天文学家领衔的一个合作小组宣布,他们在韦布拍摄的图像中发现了一个破纪录的星系:它在宇宙大爆炸后大约3.3亿年之后就已形成,是至今为止被发现的最古老的星系。

如何确定天体的红移?

红移是测量天体距离与年龄的最关键依据之一。由于天体自身的运动或宇宙自身的膨胀,天体发出的光波会发生变化。如果光波变长,就是红移;如果光波变短,就是负的红移,即蓝移。

这样取名是时代所限:多年前的天文学家能够观测的波长基本上限于可见光,而可见光中红光的波长最长,蓝紫光的波长最短。因此其他颜色的可见光朝着红色一端移动,就是红移。随着观测波长范围的扩大,天文学家早已观测到红光朝着红外移动的现象。不过,根据惯例,这样的移动依然被称为“红移”,而不是“红外移”。我们只需要记住:“红移”泛指波长变长。

天体发出的光包含众多元素的原子发出的辐射。这些辐射由原子内的电子的跃迁导致,它们都有固定的波长。天体发出的部分光在前往地球的过程中,某些波段的辐射被自身大气或星际介质吸收后,强度变弱,显示为吸收线。

测量到的天体的光谱中,如果某种元素的某条吸收线的波长与实验室测出的波长不一样,就说明其产生红移或蓝移。将二者相减,再除以实验室测出的波长,就是红移或蓝移的值。

图:吸收线(图中暗线)发生红移的示意图。箭头表示谱线发生的移动。丨图源:GeorgWiora

例如,氢原子的电子从第2、3、4、5、6轨道跃迁到第1轨道(基态),发出的辐射的波长依次为.57纳米、.57纳米、97.纳米、94.纳米与93.纳米,这就是著名的“莱曼线系”的前几条。这些线也分别被称为莱曼α线、莱曼β线、莱曼γ线,等等。如果我们观测到某个天体的莱曼α线的波长成为5.7纳米,那么我们就可以将5.7减去其实验室里测出的波长.57,再除以.57,得到的数字9就是红移的值。

一些遥远星系发出的辐射在穿过众多富含氢的星系际分子云时,里面包含的莱曼α线(以及其他莱曼线)会被分子云内的氢严重吸收,使其亮度出现断崖式的下跌,导致波长等于和短于莱曼α线的辐射的亮度远低于其他波长上的亮度。这样的星系被称为“莱曼断裂星系”(Lyman-breakgalaxies,LBG)。

观测到莱曼断裂星系后,将断裂处的波长测出,再与实验室中的莱曼α线的波长(.57纳米)对比,就可以计算出其红移。实际上的操作当然要更复杂一些:通过模型拟合,得到其理论能谱,从而确定出莱曼断裂的具体波长,再计算其红移。

曾经的冠军:GN-z11

此前,天文学家在哈勃拍摄的图像中发现的最古老的星系是GN-z11。这个编号中的G代表“大型天文台宇宙起源深度巡天”(TheGreatObservatoriesOriginsDeepSurvey,GOODS),这是一个由哈勃空间望远镜(以下简称“哈勃”)与一些空间X射线望远镜及地面望远镜联合执行多波段观测的。GOODS观测南与北两个特定天区,分别用S和N表示。所以GN代表这个项目观测的北天区。

图:在GOODS北区域被观测到的GNz-11的放大图(小图)。这是由哈勃的ACS与WFC3得到的可见光与近红外线数据合成的图。丨图源:NASA,ESA,andP.Oesch(YaleUniversity)

年,耶鲁大学的天文学家PascalOesch领衔的团队结合哈勃与斯皮泽空间望远镜观测的图像,用哈勃的第三代宽场相机(WFC3)的棱栅光谱仪获得了位于GN观测区域内的这个星系的光谱。他们发现,这个星系能谱的断裂波长两侧的辐射流量比值低于0.32。[1]因此,它是一个莱曼断裂星系。

Oesch等人用莱曼断裂星系模板拟合它的能谱(见下图),确定出“莱曼断裂”处的波长约为1.47微米(纳米),得到其红移约为11.09。因为它的红移约为11,因此编号中就有了“z11”。

图:GNz-11的能谱拟合表明其红移约为11.09。暗红色线为使用“莱曼断裂星系”(LBG)模板拟合的理论上的能谱。向下的箭头表示观测的上限值。另外两个模型的拟合的品质都低得多,这排除了这个星系为低红移星系的可能性。丨图源:参考文献[1]

根据红移来计算星系的年龄,依赖于一些宇宙学参数。假设当前的哈勃常数为69.6,宇宙中物质的比例为0.,暗能量的比例为0.,那我们的宇宙的年龄为.21年(见:


转载请注明:http://www.aierlanlan.com/tzrz/1110.html

  • 上一篇文章:
  •   
  • 下一篇文章: 没有了