NASA的哈勃太空望远镜建立了一个非凡的新基准:探测宇宙大爆炸后最初十亿年内存在的恒星的光——这是迄今为止观测到的最远的一颗恒星。

与之前哈勃望远镜在2018年观测到的单星记录保持者相比,这一发现是一个巨大的飞跃。那颗恒星存在于宇宙大约 40 亿年的时候,即宇宙当前年龄的 30% ,天文学家将其称为“红移 1.5”。科学家使用“红移”一词是因为随着宇宙膨胀,来自遥远物体的光在向我们传播时会被拉伸或“移动”到更长、更红的波长。

这颗新发现的恒星距离地球如此之远,以至于它的光需要 129 亿年才能到达地球,在我们看来,它就像宇宙只有当前年龄的 7%,红移 6.2 时的那样。以前在如此遥远的距离上看到的最小物体是嵌入早期星系中的星团。

巴尔的摩约翰霍普金斯大学的天文学家布莱恩·韦尔奇说:“一开始我们几乎不相信它,它比之前最遥远、最高的红移恒星要远得多。”韦尔奇是描述这一发现的论文的主要作者,该论文发表在3月30日的《自然》杂志上。这一发现是根据同样位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所 (STScI) 的合著者丹·科伊领导的哈勃RELICS(再电离透镜集群调查)计划期间收集的数据得出。

“通常在这些距离上,整个星系看起来像小污点,来自数百万颗恒星的光混合在一起,”韦尔奇说。“这颗恒星所在的星系被引力透镜放大和扭曲成一个长长的新月形,我们称之为日出弧。”

在详细研究了星系后,韦尔奇确定其中一个特征是一颗被放大的恒星,他称之为Earendel,在古英语中是“晨星”的意思。这一发现有望开启一个未知的早期恒星形成时代。

“Earendel很久以前就存在,它可能没有像今天我们周围的恒星那样拥有所有相同的原材料,”韦尔奇解释说。“研究Earendel将是一扇通往我们不熟悉的宇宙时代的窗口,这导致了我们所知道的一切。就像我们一直在读一本非常有趣的书,但我们刚开始读到第二章,现在我们将有机会看到这一切是如何开始的。”韦尔奇说。

这张详细的照片突出显示了Earendel沿着时空涟漪(虚线)的位置,该涟漪将其放大,并使这颗恒星能够在近130亿光年的如此遥远的距离内被观测到。图片还显示了在放大线两侧镜像的星团。扭曲和放大是由位于哈勃和Earendel之间的一个巨大质量的星系团造成。星系团的质量如此之大,以至于它扭曲了空间的结构,通过这个空间观看就像通过放大镜沿着玻璃或透镜的边缘观看一样,另一边的事物的外观也被扭曲和放大。
影像来源:Science: NASA, ESA, Brian Welch (JHU), Dan Coe (STScI); Image processing: NASA, ESA, Alyssa Pagan (STScI)

当恒星重新排列

研究小组估计,Earendel的质量至少是太阳质量的 50 倍,亮度是太阳的数百万倍,可与已知的最大质量恒星相媲美。但是,如果没有位于我们和Earendel之间的巨大星系团 WHL0137-08 的自然放大,即使是如此明亮、质量如此之大的恒星也无法在如此远的距离上观测到。星系团的质量扭曲了空间结构,形成了一个强大的自然放大镜,它扭曲并极大地放大了来自其背后远处物体的光。

多亏了这颗罕见的与放大的星系团排列在一起的恒星,Earendel直接出现在空间结构中的一个波纹上,或极为接近。这种波纹在光学中被定义为“焦散”,可以提供最大的放大倍数和亮度。这种效果类似于一个游泳池的波纹表面,在阳光明媚的日子里,在池底形成明亮的光线图案。水面的涟漪就像透镜一样,聚焦阳光,使池底达到最大亮度。

这种焦散导致恒星Earendel从其所在星系的泛光中突显出来。它的亮度被放大一千倍甚至更多。目前,天文学家还不能确定Earendel是否为双星,尽管大多数大质量恒星至少有一颗较小的伴星。

通过韦伯太空望远镜确认

天文学家预计,埃伦德尔在未来几年内将保持高度放大。它将由NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜进行观测。韦伯对红外光的高灵敏度是了解Earendel的必要条件,因为由于宇宙的膨胀,它的光被拉伸(红移)到更长的红外波长。

科伊说:“通过韦伯望远镜,我们希望确认Earendel确实是一颗恒星,并测量它的亮度和温度。”这些细节将缩小它在恒星生命周期中的类型和阶段。科伊说:“我们还希望发现日出弧星系缺少形成于后续恒星中的重元素。这将表明Earendel是一颗罕见的、大质量的贫金属恒星。”

Earendel的组成将引起天文学家的极大兴趣,因为它是在宇宙充满由连续几代大质量恒星产生的重元素之前形成。如果后续研究发现Earendel只由原始的氢和氦组成,这将是传说中的第三族恒星的第一个证据,这些恒星被假设为大爆炸后诞生的第一颗恒星。虽然这种可能性很小,但韦尔奇承认这仍然很诱人。

“有了韦伯,我们可能会看到比Earendel更远的恒星,这将是非常令人兴奋的。”韦尔奇说。 “我们将尽可能回到过去。我很想看到韦伯打破 Earendel 的距离记录。”

视频来源:NASA戈达德太空飞行中心,首席制作人:保罗·莫里斯

哈勃太空望远镜是NASA和ESA(欧洲航天局)之间的国际合作项目。位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心负责管理该望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所(STScI)负责哈勃科学操作。STScI由位于华盛顿特区的大学天文学研究协会为NASA运营。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/what-sounds-captured-by-nasa-s-perseverance-rover-reveal-about-mars

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