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詹姆斯·韦伯发现了宇宙中最古老的星系

在过去的几个月里,nasa, esa和csa发布了令人瞩目的图像,揭示了宇宙中最古老的星系。詹姆斯·韦伯太空望远镜(jwst)仅运行了大约一年半的时间,但这是多么重要的一年半啊!

天文学家最近宣布他们“明确探测到”了四个非常遥远和非常古老的星系。这四个星系被认为诞生于大约一百三十亿年前。当这四个星系形成时,宇宙年龄在三亿到五亿年之间。

关于星系形成的长期信念已经被置于质疑中,因为这些关于宇宙中最古老的星系的新数据浮出水面。继续阅读来了解更多关于詹姆斯·韦伯最新发现的内容。

詹姆斯·韦伯太空望远镜

詹姆斯·韦伯太空望远镜目前是太空中最大的望远镜。它目前距离地球约150万公里(或约93.2万英里)。该望远镜于2021年12月25日发射升空,任务预计持续5-10年。jwst有四个主要的任务目标:

  1. 透过宇宙中的尘埃和云层,观察宇宙在135亿年前的模样。据信,大爆炸之后,第一颗恒星和星系就诞生了。
  2. 使用红外设备穿透宇宙尘埃和碎片。之前的望远镜的光学性能主要集中在可见光波长范围。
  3. 收集数据和图像,了解星系在数百万和数十亿年间是如何形成的。
  4. 研究位于我们自己星系之外的行星。其他行星是否像地球一样拥有类似的大气层?

让我们深入了解一下詹姆斯·韦伯望远镜如何使科学家能够观察数十亿年前的宇宙。

詹姆斯·韦伯太空望远镜于2021年发射升空预计将在轨道上运行长达10年。

©nasa, esa, northrop grumman – 许可证

光是时间机器

光的速度是每秒186,282英里,这个速度是恒定的。无论光源是静止的还是来自运动的源头,都不会有所影响。假设你骑自行车沿着路骑行,你前方的头灯发出的光以与你朋友等在路边时他头灯发出的光一样的速度前进。

一旦我们明白光以恒定速度移动,我们可以将光看作是一个时间机器。太阳光需要大约8分钟20秒才能行进9300万英里到达地球。这意味着如果你看向太阳,你实际上看到的是大约8分钟前的太阳。

相同的原理适用于太空中的其他物体。从木星到地球,光需要大约45分钟的时间。因此,我们通过望远镜看到的是45分钟前的木星。来自最近的恒星系统,半人马座α星,需要大约四年的时间才能到达地球,让我们一窥四年前该系统的模样。现在让我们进一步了解。

用詹姆斯·韦伯望远镜回顾历史

科学家们通过詹姆斯·韦伯望远镜观测远处星系的图像时,实际上是看到了这些星系几十亿年前的样子。我们正在收集、观测和分析的信息是几十亿年前的数据。如果我们能瞬间穿越到这些遥远的地方,可能会发现现在的景象与十二十亿年前有所不同。

詹姆斯·韦伯望远镜的近红外相机(nircam)就是实现这一目标的仪器之一。nircam可以探测人眼无法看到的红外光,其波长范围为0.6到5微米。它能够探测到刚开始形成的恒星和星系的光线,以及我们自己星系中年轻的恒星或其他物体。

詹姆斯·韦伯望远镜的红外仪器还能帮助天文学家鉴定一类叫做多环芳香碳氢化合物(pahs)的碳基化合物。pahs是一种复杂的有机分子,被认为对新星和行星的形成至关重要。pahs的红外辐射可以帮助确定恒星的形成速率,并进一步增进我们对星系演化的理解。

这张卡里纳星云中宇宙悬崖的图片是使用nircam拍摄的。

先进深度外星系调查项目(jades)。jades项目是近红外摄像机(nircam)团队和近红外光谱仪(nirspec)团队的合作项目。这两个团队将共同收集和总结来自数千个星系的大约800小时的望远镜光谱数据。

z值

z值是计算得到的红移值。红移值让我们知道光线已经传播了多长时间,即光线离开其起源点的时间,以及我们与光源之间的距离。

z值光传播时间(年)距离(光年)
0.0000715100万100万
5125亿223亿
10132亿266亿
11134亿320亿
12136亿332亿
13136亿336亿

就jades-gs-z10-0而言,所给的星系名称让我们知道jades项目研究了该星系,并确定了该星系的年龄约为132亿年。令人兴奋的是,我们正在研究的jades-gs-z10-0中的光线在132亿年前离开了遥远的星系。由于宇宙继续膨胀,同一星系现在距离我们有266亿光年!

红移数据

下面的图片显示了詹姆斯·韦伯所观察的天空部分。右侧的图像显示了四个探测到的星系的红移值。红移值使科学家能够估计从星系到达望远镜所需的时间。光线从星系传播到望远镜的观测位置大约需要136亿年。

科学家们发现了四个距离超过130亿光年的最古老星系。

©nasa, esa, csa, m. zamani (esa/webb), leah hustak (stsci), brant robertson (uc santa cruz), s. tacchella (cambridge), e. curtis-lake (uoh), s. carniani (scuola normale superiore), jades collaboration – 许可证

科学家们不满足于红移的结果,还研究了这些星系的化学成分。大爆炸后出现的主要元素是氦和氢。重元素如氧、氮和碳尚未形成。氢和氦的存在以及重元素的缺乏对科学家们来说是一个重要的突破。光谱结果和红移的结合表明这些星系确实是“年轻”的星系。

数据收集

拍摄一张长时间曝光的照片并不容易。我们的手会抖动,风会吹动,总之,我们最后拍出来的照片都是模糊的。所以当光线昏暗时,或者是日落时,或者是天气不好时,我们会使用三脚架来拍摄照片。在我们最长的曝光时间(不包括天文照片)中,我们的曝光时间大约是1/50秒。詹姆斯·韦伯望远镜观测的星系距离我们数十亿光年远。所收集到的光谱并不很亮,所以nircam需要使用很长的曝光时间从远处的星系中收集数据。

詹姆斯·韦伯望远镜完全打开快门,使用最长九小时至二十八小时的时间来收集宇宙中最古老的星系的数据。

下表显示了nircam用于从星系中收集数据的快门时间。我们在快门速度为1秒的夜间摄影中得到了模糊的图像!你能想象快门打开九到二十八小时吗?

星系jwst快门时间
jades-gs-z10-0约18.5小时
jades-gs-z11-0约28小时
jades-gs-z12-0约18.5小时
jades-gs-z13-0约9.3小时

就像我们的环境影响我们图像的质量一样,它也会影响詹姆斯·韦伯望远镜收集的数据的质量。来自其他组件的振动、来自太阳和望远镜上其他仪器的热量,以及太空的低温都必须考虑在内仪器的设计中。这是一个令人惊叹的工程和科学壮举,能让所有这些部分协调工作。

接下来是什么?

并不是所有的科学家都相信jades-gs-z10-0、jades-gs-z11-0、jades-gs-z12-0和jades-gs-z13-0是最古老的星系。来自德克萨斯大学的一项经过同行评审的全新研究表明,詹姆斯·韦伯望远镜误将四颗暗星误认为是最古老的星系。暗星由暗物质驱动。暗星主要由氦和氢组成,并在原星系的中心形成。听起来很熟悉!该研究指出,jades正在研究的数据集太小,为了得出所做的结论,jades需要收集大约一年的光谱数据,而不仅仅是一天。(最好弄个更大的ssd!)

詹姆斯·韦伯望远镜将于2023年晚些时候检查被称为哈勃超深场的区域。目前,望远镜正在探索哈勃深场。考虑到詹姆斯·韦伯望远镜收集数据的时间很短,很可能很快就会发现甚至更“古老”的星系!

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