詹姆斯·韦伯太空望远镜发现了早期宇宙中的致密宇宙结

通过NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜,观察早期宇宙的天文学家们有了一个惊人的发现:在一个极红的类星体周围,一个大质量星系团正在形成。这一结果将扩展我们对早期宇宙星系团如何聚集在一起并形成我们今天看到的宇宙网的理解。

类星体是一种特殊类型的活动星系核(AGN),是在星系中心有超大质量黑洞的致密区域。落入超大质量黑洞的气体使类星体的亮度超过了星系中所有的恒星。

韦伯观测的类星体名为SDSS J165202.64+172852.3,存在于115亿年前。它异常的红色不仅是因为它本身的红色,还因为星系的光因其巨大的距离而发生了红移。韦伯在红外波长上具有无与伦比的灵敏度,非常适合详细地研究星系。

左边是哈勃太空望远镜在可见光和近红外光下拍摄的类星体SDSS J165202.64+172852.3。右边和下面的图像展示了詹姆斯·韦伯太空望远镜在多个波长下的新观测结果。他们展示了在中心类星体周围新观测到的星系团内气体的分布和运动。
影像来源:NASA, ESA, CSA, STScI, D. Wylezalek (Heidelberg Univ.), A. Vayner and N. Zakamska (Johns Hopkins Univ.) and the Q-3D Team

这颗类星体是在如此遥远的地方观测到的最强大的星系核之一。天文学家推测,这颗类星体的极端辐射可能会导致“星系风”,将自由气体从其宿主星系中推出,并可能极大地影响那里未来的恒星形成。

为了研究星系中气体、尘埃和恒星物质的运动,研究团队使用了望远镜的近红外光谱仪(NIRSpec)。这个强大的仪器使用一种叫做光谱学的技术来观察类星体周围各种外流和风的运动。NIRSpec可以同时收集望远镜整个视场的光谱,而不是一次只从一个点收集光谱,从而使韦伯能够同时检查类星体、其星系和更广阔的环境。

NASA的哈勃太空望远镜和其他天文台先前的研究引起了人们对类星体强大外流的关注,天文学家推测,它的宿主星系可能正在与某个看不见的伴星合并。但研究团队并没有期望韦伯的NIRSpec数据清楚地表明,它不仅是一个星系,而且至少还有三个星系围绕着它旋转。多亏了广阔区域的光谱,所有这些周围物质的运动都可以被绘制出来,从而得出这样的结论:红色类星体实际上是星系形成的密集结的一部分。

“在这个早期阶段,几乎没有已知的星系原星系团。我们很难找到它们,而且很少有自大爆炸以来有时间形成。”德国海德堡大学的天文学家多米尼卡·怀勒扎勒克说,他和韦伯一起领导了这项研究。“这最终可能有助于我们了解密集环境中的星系如何演变。 这是一个令人兴奋的结果。”

利用NIRSpec的观测结果,研究团队确认了这类星体的三个星系伴星,并显示了它们之间的联系。哈勃望远镜的档案数据暗示,可能还有更多。哈勃第三代广域照相机拍摄的图像显示,类星体及其星系周围有大量的物质,促使研究团队选择进行这项研究,以了解其流出物及其对宿主星系的影响。研究团队怀疑他们可能一直在观察整个星系团的核心——直到现在韦伯的清晰成像才揭示了这一点。

“我们对数据的第一次观察很快揭示了邻近星系之间主要相互作用的明确迹象。”马里兰州巴尔的摩约翰·霍普金斯大学的研究小组成员安德烈·韦纳说。“NIRSpec仪器的灵敏度很快就显现出来,我很清楚,我们正处于红外光谱的新时代。”

这三个被证实的星系以难以置信的高速度围绕彼此旋转,这表明存在大量的质量。结合它们与类星体周围区域的紧密程度,研究团队认为这标志着早期宇宙中已知的星系形成最密集的区域之一。“即使是一个致密的暗物质结也不足以解释它。”怀勒扎勒克说。“我们认为我们可能看到一个区域,两个巨大的暗物质光环正在合并在一起。”暗物质是宇宙中一个不可见的组成部分,它将星系和星系团连接在一起,并被认为形成了一个“光环”,延伸到这些结构中的恒星之外。

怀勒扎勒克团队进行的这项研究是韦伯对早期宇宙研究的一部分。凭借其史无前例的回溯能力,望远镜已经被用于研究第一批星系是如何形成和演化,以及黑洞是如何形成并影响宇宙结构。该团队正在计划对这个意想不到的星系原星系团进行后续观测,并希望利用它来了解像这样的密集、混乱的星系团是如何形成,以及它是如何受到其中心活跃的超大质量黑洞的影响。

这些结果将发表在《天体物理学杂志通讯》上。这项研究是作为韦伯的早期发布科学项目#1335的一部分完成。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯将解开我们太阳系中的谜团,展望其他恒星周围的遥远世界,探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。韦伯是由NASA及其合作伙伴 ESA和CSA领导的一项国际计划。

参考来源:
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/nasa-s-webb-uncovers-dense-cosmic-knot-in-the-early-universe

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