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詹姆斯·韋伯望遠鏡剛剛觀測到了有史以來最遙遠的星星
2023/08/13

宇宙理解的一場革命即將來臨,而變革的洞察源自詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的開創性觀測。當詹姆斯·韋伯太空望遠鏡或 JWST 發布其第一批圖像,展示了我們前所未見的宇宙時,全世界都目瞪口呆。現在這個望遠鏡繼續震驚我們,捕捉到了宇宙中已知的最遠的單個恒星,揭示這一發現挑戰了恒星演化的理論。今天我們一起探討詹姆斯 · 韋伯新發現的最遠的恒星,并深入了解詹姆斯 · 韋伯如何顛覆我們對宇宙的理解。

科學史可以被寫成一部儀器的歷史,從粒子加速器和顯微鏡到功能性磁共振成像或 fmris 和望遠鏡。隨著儀器變得更強大,它們就像現實放大器,放大了我們對非常小和非常大的東西的視野,讓我們窺見人眼無法看見的東西。很難想象到 1609 年我們對天空的了解還依賴于我們肉眼所見。當伽利略 · 伽利萊想到用望遠鏡瞄準夜空時,他看到了人類前所未見的新天空,充滿了驚喜和可能性。

這個新天空揭示了一個新的世界秩序,告別了以地球為中心的宇宙觀,一個冰凍的天空,在那里天體是完美和不可改變的,進入了一個奇妙的不完美的天堂,一個充滿坑洼和山脈的月球,木星有四個衛星,現在我們知道有大約 79 顆并且還在增加,土星有耳朵,即望遠鏡還無法分辨的環,以及由無數恒星組成的銀河系。 新儀器承諾著世界觀的轉變,當我們深入探索自然,我們對現實和我們自己的看法也會改變。

因此,當目睹新一代儀器奇跡,詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的發射時,天體物理學界如此激動就不足為奇了,即使它經常被稱為哈勃太空望遠鏡或 HST 的繼任者, JWST 完全是另一種機器,并且在幾個方面超越了哈勃。詹姆斯 · 韋伯將允許天文學家不僅在太空中觀察得更遠,還可以追溯到宇宙的最早的星星和星系。它將允許科學家對眾多系外行星(圍繞著太陽以外的恒星運行的行星)進行仔細研究,甚至還可以尋找那里的生命跡象。換句話說,韋伯是一台探索宇宙未解之謎,探索直到現在都未曾探索過的東西的機器。 NASA 在韋伯上工作的天體物理學家 Amber Strawn 說: 我們將得到的是一台比哈勃強大約 100 倍的望遠鏡。 但韋伯如何在兩個關鍵方面改進哈勃,首先是它的大小。哈勃大約有校車那麼大,而韋伯則像網球場那麼大。 Strawn 說: 韋伯迄今為止絕對是 NASA 嘗試送入太空的最大望遠鏡。

在反射望遠鏡方面,關鍵組件是其彎曲鏡子的大小,你可以把望遠鏡鏡子想象成一個光桶,這個桶中可以收集的光越多,你就可以看到宇宙中越暗淡和遙遠的物體。哈勃的鏡子直徑令人印象深刻,為 7.8 英尺,韋伯的漂亮金色鏡子組合直徑為 21.3 英尺,總的來說,這相當于光收集面積的六倍以上。

那麼實際上這意味著什麼呢?簡短的回答是,我們用韋伯看得到更遠的過去。用韋伯,天文學家將能夠看到如此遙遠的地方,以至于他們可能會發現第一批恒星和銀河系。哈勃已經看到了大約 13.3 億年才到達我們的大約 4 億年后的大爆炸光線,但韋伯有能力將我們帶到大爆炸后的 2.5 億年。這聽起來可能不是一個大的區別,幾百萬年之間有什麼不同呢?實際上,這是看到第一批亮起的恒星與太晚到達葬禮之間的區別。

天文學家稱這個時期為宇宙黎明時期。有了韋伯,人類將能夠第一次窺見它。另一方面,與哈勃不同,詹姆斯·韋伯主要是紅外望遠鏡,因此它看到的光波長比我們的眼睛能看到的長。 這聽起來可能很古怪和技術性,但實際上,這正是韋伯比哈勃看得更遠的原因,根據麻省理工學院的行星科學家和天體物理學家薩拉·塞格爾,韋伯代表了數十年甚至幾個世紀的天文學的結晶。我們為此等待了很長時間,有了如此強大的力量,詹姆斯·韋伯有望改變我們對宇宙的理解。

現實證明,這 100 億美元的賭注正在實現其潛力。韋伯震撼人心的圖像和令人困惑的科學發現震驚了全世界,自從它開始了其史詩般的科學任務后不久,這個紅外天文台已經發現了幾個挑戰大爆炸理論和我們的銀河演化模型的候選星系。現在,韋伯已經將其儀器對準了有史以來最遙遠的恒星,這顆恒星在大爆炸后的 9 億年開始發光。

由哈勃太空望遠鏡拍攝的圖像在今年早些時候改進了這些圖像,哈勃發現了這個古老的物體,并向天文學家提供了宇宙早期恒星的首次瞥見。天文學家將這顆古老的恒星稱為 irendal ,這個詞源于古英語,意為晨星或升起的光芒。它開始燃燒大約 130 億年前,但由于宇宙的膨脹,現在距離地球大約 280 億光年,使其成為有史以來觀測到的最遙遠的恒星。

天文學家之所以知道它非常古老,是因為其光非常紅,非常古老的光隨著時間的推移在穿越空間時被拉伸,極遠的恒星和銀河系似乎以比較近的恒星更快的速度遠離我們,因此它們的光更紅。因此,恒星或銀河系越紅,它就存在于宇宙的早期。 irondale 的光有 6.2 的紅移,而大多數使用引力透鏡效應發現的恒星的紅移介于 1 1.5 之間。

值得注意的是, Irondale 只能因為一個非凡的宇宙巧合從地球上觀察到,它位于一個名為 WHL 0137-08 的龐大星系團背后,其引力場將其星光對準地球,將其放大高達 40,000 倍。這種引力透鏡效應使 Irondale 的宿主星系出現在遙遠宇宙的一條光線中。天文學家將其命名為 sunrise Arc 。弧線上的長度有亮結,其中一個就是 Irondale jwst 的圖像改善了哈勃的,并縮小了這顆恒星的潛在大小。恒星呈現為一個光點,這表明其不能大于 4000 個天文單位。這些新的觀測結果加強了這樣的結論,即 Irondale 最好是由單個恒星或多恒星系統解釋,約翰霍普金斯大學在巴爾的摩的 Brian Welch 和分析過這些圖像的同事說。那里的團隊表示,光度測量表明 Irondale 的表面溫度在 13,000 16,000 開爾文之間。這反過來表明,這顆恒星是一顆巨大的氫燃燒的 B 型恒星,其質量在我們太陽的 20 200 倍之間。然而,該團隊也表示, Irondale 可能是一個雙星系統,不同組合的恒星可能更適合觀測到的數據。事實上,最佳擬合是一個明亮的冷恒星和一個熾熱的伴星組合。

目前的數據不允許團隊解決這個問題,不過 jwst 計劃今年晚些時候再次觀測 Irondale ,屆時更多的數據可能有助于限制恒星或恒星系統的性質。它還將為天文學家提供有關宇宙最早期恒星之一的更多數據。這是一項有趣的工作,利用了 jwst 和其年長的親戚哈勃的非凡光聚集能力,現在這一儀器已經在改變我們看待宇宙的方式。有趣的是,詹姆斯 · 韋伯望遠鏡不僅捕獲了迄今為止最遙遠的恒星,還探測到了最遙遠的,至今的超大質量黑洞。掌握古老黑洞的星系 Sears 1019 在宇宙歷史的早期形成,僅在大爆炸后的 570 百萬年。 Sears 1019 中心的超大質量黑洞不僅因其年齡和距離而不同尋常,還因為其僅重 900 萬個太陽質量,即比太陽重 900 萬倍。

通常,宇宙年份中的大多數超大質量黑洞的重量超過 10 億個太陽質量,使它們更明亮,更容易檢測。位于 Sears 1019 中心的黑洞的相對小尺寸在某種程度上是一個謎,根據位于巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所的一份聲明,該所負責管理 jwst 的科學操作,仍然難以解釋它是如何在宇宙早期如此早就形成的。天文學家長期懷疑,在宇宙的早期一定形成了較小的黑洞,但這些觀測是首次如此詳細地看到它們。 Colby College 在緬因州沃特維爾的 Dale cosevsky 說,韋伯是第一個能如此清晰地捕捉它們的天文台,現在我們認為,低質量黑洞可能遍布各處,只等著被發現。

Sears 1019 中的黑洞是通過 jwst 作為宇宙演化早期發布科學計劃或 Sears 調查的一部分收集的數據發現的,該調查是一項旨在測試和驗證模型以便深入觀察宇宙歷史的研究計劃,在熊大星座和牛夫座之間的空間區域。迄今為止,有關早期宇宙物體的研究主要是理論上的,德克薩斯大學奧斯汀分校的天文學家 Steve Finkelstein 說,他領導了 Sears 調查,并與一項使用 jwst 數據的 Sears 1019 的研究共同執筆。

現在我們不僅可以看到黑洞和銀河系在極遠的距離,我們現在還可以開始準確測量它們。這就是這個望遠鏡的強大能力。 jwsd 能夠收集關于 Sears 1019 的豐富的光譜數據,這些數據顯示了星系的化學成分、質量和年齡屬性。數據揭示該星系正在積極產生新恒星,可能是由于與正在供養 Sears 1019 中心黑洞活動的另一個星系的合并。除了探測到黑洞, Sears 1019 的中心,該調查還發現了另外兩個質量較小的輕量級超大質量黑洞,與該距離的黑洞的典型質量相比較小。這兩個位于星系 Sears 2782 Sears 746 的核心的黑洞分別在大爆炸后 11 億年和 10 億年形成,每個重約 1000 萬個太陽質量。相比之下,我們銀河系心臟的黑洞,稱為人馬座 A ,約比太陽重 430 萬倍,但對于現代超大質量黑洞來說,這相當輕。

例如,銀河系 m87 中心的龐然大物大約有 65 億個太陽質量。總共有 11 個星系使用 jwst Sears 調查數據被發現,這些星系據信是在大爆炸后 470 675 百萬年間形成的。這些星系的研究產生的數據可能會徹底改變天文學家對恒星和星系如何形成和演化的理解,諾里實驗室的一項研究的主要作者 Pablo aralbo Hera 說,這些數據絕對令人難以置信。詹姆斯 · 韋伯最近又揭示了另一個杰作,這一次機器給我們展示了一個迷人的場景,兩顆正在積極形成的年輕恒星藏在距離我們約 1470 光年的太空口袋里,通過望遠鏡強大的紅外眼睛產生。圖像中央展示了一片引人注目的鮭魚色涂抹。這代表了被統稱為 herbig Harrow 4647 的恒星發現的地方。

要清楚,因為科學家們通過利用詹姆斯 · 韋伯太空望遠鏡的紅外傳感器捕捉了這里的所有內容,所以這個圖像原本是黑白的。那些火紅的橙色、淡藍色和有紋理的粉紅色是後來添加的,以增強畫面,使其更容易從中獲取科學信息。例如,你會看到發光斑點左右兩邊的兩個錐形黑暗區域。想象一下這個形狀實際上是三維的,這些結構代表了漂浮在玫瑰色斑點內的氣體塵埃盤,這個盤緊緊包圍著恒星二人組,喂養著嬰兒恒星,隨著它們的成長和成熟,這個過程預計將在 jwst 分離出的那一點數百萬年后達到[高·潮]。

在背景中,不可能不注意到星星和星系在我們宇宙中散布的密集交響樂。有些是舊的,有些是新的,有些是大的,有些是小的,但每一個在我們稱之為家的領域都同樣深刻。就像藝術家的簽名一樣, jwst 在整個圖像中留下了經典的八叉衍射刺。其中兩個刺比另外六個小,水平穿過中心。例如,哈勃太空望遠鏡拍攝的照片展示了四個尖刺的星星。它實際上取決于一台機器有多少鏡子,這就是為什麼它們被稱為衍射刺。但是當你看到那八個時,你就會知道這是 jwst 的圖像。使用這些特征作為指導,如果你將眼睛降低到中心紅色衍射刺,你會捕捉到 herbig Harrow 4647 最近的噴射。這些被顯示為從藍色移動到淺紫色光環的藍色線條。周圍還有卷曲的淡藍線,據 NASA 說,也與恒星的噴射模式有關。不用擔心,它們都相對難以看到,因為它們離 jwst 的尖銳筆跡非常近。但你絕對不會錯過的是中間憤怒的紅色斑點周圍的空靈藍幕。這是另一個宇宙物體,被稱為星云,一片巨大的塵埃和氣體云。 jwst 專門用來過濾掉這樣的薄霧,讓我們窺視其中的任何東西,在這種情況下是 herbig Harrow 4647

實際上,由于 jwst 的能力,這張圖像是迄今為止這些恒星最詳細的肖像。感謝望遠鏡的高分辨率近紅外成像儀和它被編程觸及的各種曝光,科學家們突破了星云的面紗。此外,星云還是恒星的射流顯得被點亮的原因,根據 jwst 團隊發布的新聞稿,當噴射物撞擊左下方的星云時,研究人員解釋,它采取了更廣闊的形狀,因為噴射物與星云內的分子相互作用的機會更多,因此,我們現在被賦予了一張圖像,這是一張字面上價值千言萬語的圖片。信息如此豐富,即使整個視訊討論的圖像數據也無法完全涵蓋天文學家將能夠從中學習到的關于恒星如何形成的一半。

今天的文章就到這里,每一個人對我的支持都激勵我繼續提供高質量的內容,并不斷改進。一如既往,感謝您的觀看,我們下次再見。

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