韦伯发现了无法解释的古老星系

研究人员检查了早期宇宙中的三个神秘物体。 这里显示的是他们的彩色图像，这些图像是从詹姆斯·韦伯太空望远镜上的三个 NIRCam 滤光带收集的。 它们在红色波长下明显紧凑（因此被称为“小红点”），在蓝色波长下有一些空间结构的证据。 版权所有：王冰洁/宾夕法尼亚州立大学

美国宇航局的 詹姆斯·韦伯太空望远镜 它揭示了早期宇宙中的神秘物体，挑战了当前的星系和大质量行星理论。 黑洞 发展。

这些物体包含远古恒星和大质量黑洞，比预期大得多，表明早期星系形成是一种快速且非常规的形式。 结果突显了与当前模型的显着差异，并且这些物体的独特属性表明了复杂的早期宇宙历史。

宇宙之初的惊人发现

美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜最近的一项发现证实，先前在早期宇宙中检测到的极红色发光物体挑战了长期以来关于星系及其超大质量黑洞的起源和演化的观点。

在宾夕法尼亚州立大学研究人员的带领下，国际研究小组使用 JWST 上的 NIRSpec 仪器作为 RUBIES 调查的一部分，发现了三个神秘物体，其历史可以追溯到 600-8 亿年前 大爆炸当时宇宙的年龄只有现在的5%。 他们于 6 月 27 日在杂志上宣布了这一发现 天体物理学期刊通讯。

科学家分析了光谱测量，即物体发出的不同波长的光的强度。 他们的分析发现了“老”恒星的特征，它们的年龄有数亿年，比年轻宇宙中的预期要老得多。

詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 提供了一扇了解宇宙遥远过去的窗口，捕捉到了 135 亿多年前形成的宇宙第一批星系和恒星的图像。 图片来源：NASA-戈达德空间科学中心，Adriana M. 古铁雷斯（CI 实验室）

银河演化的意外发现

研究人员表示，他们还惊讶地在同一物体中发现了超大质量黑洞的迹象，他们估计这些黑洞的质量比我们银河系中的超大质量黑洞大 100 到 1,000 倍。 银河系在目前的星系生长和超大质量黑洞形成模型中，这一切都不会发生，该模型预测星系及其黑洞在宇宙数十亿年的历史中一起生长。

宾夕法尼亚州立大学博士后研究员、该论文的主要作者 Bingyi Wang 表示：“我们已经证实，这些天体似乎充满了古老的恒星——有数亿年的历史——而宇宙的年龄只有 600-8 亿年。” “这些物体保持着古代星光最古老特征的记录。” “在如此年轻的宇宙中发现古代恒星是完全出乎意料的。宇宙学和星系形成的标准模型非常成功，然而，这些发光物体并不适合这些理论。”

研究人员于 2022 年 7 月首次发现了这些巨大物体，当时 JWST 的初始数据集发布了。 该团队发表研究论文于 自然 几个月后，这些东西的存在被宣布了。

宇宙观测的挑战

当时，研究人员怀疑这些物体是星系，但他们通过光谱进行后续分析，以更好地了解这些物体的真实距离，以及为其提供大量光的来源。

然后研究人员利用这些新数据更清晰地描绘出星系的外观和内部结构。 研究小组不仅确认这些星系实际上是接近时间开始的星系，而且还发现了令人惊讶的巨大黑洞和令人惊讶的古老恒星群的证据。

“这非常令人费解，”宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学助理教授、这两篇论文的合著者乔尔·莱加（Joel Lyga）说，“你可以让这个与我们当前的宇宙模型不舒服地吻合，但前提是我们想出一些东西。毫无疑问，这是我职业生涯中见过的最不寻常、最有趣的物体集合。”

詹姆斯·韦伯望远镜旨在观察大爆炸后立即发生的现象，利用其先进的红外功能来透视宇宙尘埃并探测太空中隐藏的结构。 版权所有：诺斯罗普·格鲁曼公司

古代银河结构的秘密

詹姆斯·韦伯望远镜配备了红外传感器，能够探测最古老的恒星和星系发出的光。 莱加表示，这台望远镜可以让科学家看到大约135亿年前，也就是我们所知的宇宙起源附近发生的事情。

分析古代光的一个挑战是很难区分可能发出光的物体类型。 就这些早期天体而言，它们具有大质量黑洞和古代恒星的明显特征。 然而，王解释说，目前还不清楚观测到的光有多少来自每个星系——这意味着这些可能是出人意料的古老早期星系，它们的质量甚至比我们自己的银河系还要大，形成的时间比模型预测的要早得多，或者它们可能自然质量更大的星系将具有“超大质量”黑洞，其质量大约是当今此类星系的 100 到 1,000 倍。

王说：“区分落入黑洞的物质发出的光和这些遥远小天体发出的光是非常困难的，无法区分当前数据集的差异，这给我们留下了很大的空间。坦率地说，“令人兴奋的是，这个谜题还有很多尚未解开”。

除了它们令人费解的质量和年龄之外，如果一些光确实来自超大质量黑洞，那么它们就不是普通的超大质量黑洞。 它们产生的紫外光子比预期多得多，并且用其他仪器研究的类似物体缺乏超大质量黑洞的特征，例如热尘埃和明亮的X射线发射。 但研究人员说，也许最令人惊讶的是它有多大。

“超大质量黑洞通常与星系有关，”莱贾说，“它们一起成长，一起经历所有主要的生命经历，但在这里，我们有一个完全成长的成年黑洞，生活在一个婴儿星系中。真的没有意义，因为这些事情“你们必须一起成长，或者至少我们是这么认为的”。

研究人员还对这些系统的极小尺寸感到困惑，它们的直径只有几百光年，比我们的银河系小近千分之一。 这些系统中的恒星数量大约与我们银河系中的恒星数量相同——这些系统中的恒星数量从一百亿到一万亿颗恒星不等——但它们的体积被限制在大约一千倍左右比银河系还要大。

莱哈解释说，如果我们把银河系压缩到我们发现的星系的大小，那么最近的恒星将大约位于我们的太阳系中。 至于位于银河系中心的超大质量黑洞，距离地球约26000光年，距地球仅约26光年，在天空中会以巨大光柱的形式可见。

莱贾说：“这些早期星系充满了恒星，这些恒星一定是以我们以前从未见过的方式、在我们从未预料到的条件下、在我们从未预料到会看到它们的时期形成的。” 由于某种原因，宇宙在仅仅几十亿年之后就不再制造这样的东西了。 “这在早期宇宙中是独一无二的。”

研究人员希望进行更多的观察，他们说这可能有助于解释这些物体的一些奥秘。 他们计划通过将望远镜长时间对准物体来获取更深的光谱，这将有助于通过识别恒星和可能存在的超大质量黑洞中可能存在的特定吸收特征来解开恒星和可能的超大质量黑洞的发射。

“我们还有另一种方法可以取得突破，这是正确的想法，”莱加说。 “我们拥有所有这些难题，只有忽视其中一些可能会被破解的事实，才能解决它们。这个问题可以通过我们、我们所有同事和整个科学界迄今为止的天才之举来解决。社区。”

参考文献：“红宝石：在 z ∼ 7-8 处具有扩展形成历史的星团已在使用 JWST/NIRSpec 识别的候选大质量星系中演化”，作者：Bingjie Wang、冰洁王、Joel Leja、Anna de Graaff、Gabriel B. Brammer、Andrea Weibel、Pieter van Dokkum、Josephine F. W. Baggen、Katherine A. Suess、Jenny E. Greene、Rachel Bezanson、Nikko J. Cleri、Michaela Hirschmann、Ivo Labbé、Jorryt Matthee、Ian McConachie、Rohan P. Naidu、Erica Nelson、Pascal A厄施、大卫·J·塞顿和克里斯蒂娜·C·威廉姆斯，2024 年 6 月 26 日， 天体物理学期刊通讯。
DOI：10.3847/2041-8213/ad55f7

王和莉娅获得了美国宇航局公共观察员计划的资助。 这项研究还得到了伯尔尼国际空间科学研究所的支持。 这项工作部分基于美国宇航局、欧洲航天局和加拿大航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜进行的观测。 研究所需的计算是在宾夕法尼亚州立大学计算与数据科学研究所的 Rohr 超级计算机上进行的。

该研究的共同作者包括德国马克斯·普朗克天文学研究所的安娜·德·格拉夫（Anna de Graaf）； 宇宙黎明中心和尼尔斯玻尔研究所的加布里埃尔·布拉默（Gabriel Brammer）； 来自日内瓦大学的 Andrea Fiebel 和 Pascal Ochs； 以及来自日内瓦大学的 Nico Cleary、Michaela Hirschmann、Peter van Dokkum 和 Rohan Naidu。 耶鲁大学; 斯坦福大学的伊沃·拉佩 (Ivo Lappé)； 乔里特·马蒂和珍妮·格林 普林斯顿大学匹兹堡大学的 Ian McConachie 和 Rachel Bezanson； 德克萨斯农工大学的 Josephine Baggin； 瑞士索维尼天文台的凯瑟琳·苏斯 (Catherine Suss)； 麻省理工学院卡维利天体物理和空间研究所的 David Seaton； 科罗拉多大学的艾丽卡·尼尔森； 和美国国家科学基金会国家红外光学天文学研究实验室和亚利桑那大学的克里斯蒂娜·威廉姆斯。