NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了近星系和远星系之间的联系
NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的遥远星系的一项新分析显示，它们非常年轻，与“绿豌豆”有一些显著的相似之处，“绿豌豆”是我们宇宙后院中罕见的一类小星系。
“通过这些早期星系的详细化学指纹，我们发现它们可能是迄今为止发现的最原始的星系。同时，我们可以将这些来自宇宙诞生之初的星系与附近的类似星系联系起来，我们可以对其进行更详细的研究。”马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家詹姆斯·罗兹说。他在西雅图举行的美国天文学会第241次会议上介绍了这一发现。
由罗兹领导的一篇描述这一结果的论文发表在1月3日的《天体物理学杂志快报》上。
在詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的星系团SMACS 0723的深空图像中，三个微弱的物体（已圈出）表现出与地球附近被称为“绿豌豆”的罕见小星系非常相似的特性。星系团的质量使它成为一个引力透镜，它既放大又扭曲了背景星系的外观。我们认为这些早期豌豆存在的时候，宇宙只有现在138亿年年龄的5%。左边最远的豌豆所含的氧气量仅为我们银河系的2%，可能是迄今为止发现的化学成分最原始的星系。
影像来源：NASA, ESA, CSA, and STScI
2009年，参加银河动物园项目的志愿者们发现了绿豌豆星系并命名了它们。该项目由公民科学家帮助对图像中的星系进行分类，从斯隆数字巡天的图像开始。绿豌豆星系是一些小的、圆形的、未分辨的圆点，带有明显的绿色阴影，这是调查合成图像中分配给不同滤镜的颜色的结果，也是星系本身的属性的结果。
斯隆数字巡天拍摄的绿豌豆星系和NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的早期绿豌豆星系的红外照片一起展示。左边是J122051+491255，一颗大约1.7亿光年远的绿色豌豆，直径大约4000光年，典型尺寸。右边是一颗名为04590的早期绿豌豆星系，它的光用了131亿年才到达我们这里。由于星团的引力透镜效应和星系与我们的距离较远，04590更加紧凑，可与附近最小的绿豌豆相媲美。
影像来源：SDSS and NASA, ESA, CSA, and STScI
绿豌豆星系的颜色并不寻常，因为它们相当一部分的光来自明亮的发光气体云。这些气体发出特定波长的光，而不像恒星那样产生彩虹般的连续颜色光谱。绿豌豆星系也非常紧凑，通常只有5,000光年宽，大约是银河系的5%。
“绿豌豆星系可能很小，但就其大小而言，它们的恒星形成活动异常强烈，因此会产生明亮的紫外线。”辛辛那提大学的博士后研究员、分析团队成员凯恩哈·金（Keunha Kim）表示。“多亏了哈勃望远镜拍摄的绿豌豆紫外图像，以及对早期恒星形成星系的地面研究，很明显它们都具有这种特性。”
2022年7月，NASA及其韦伯任务的合作伙伴发布了迄今为止最深、最清晰的遥远宇宙红外图像，拍摄到了一个被称为SMACS 0723的星团内部和背后的数千个星系。星系团的质量使它成为一个引力透镜，它既放大又扭曲了背景星系的外观。在星系团后面最暗淡的星系中，有三个紧凑的红外物体，它们看起来可能是绿豌豆星系的远亲。这三个星系中最遥远的一个被放大了大约10倍，在望远镜前所未有的能力之上，提供了来自大自然的巨大帮助。
韦伯不仅拍摄了星团的图像，其近红外光谱仪（NIRSpec）还拍摄了场景中选定星系的光谱。当罗兹和他的同事检查了这些测量结果，并根据太空膨胀导致的波长变化对其进行校正时，他们发现氧气、氢气和氖气发出的特征与附近的绿豌豆发出的特征非常相似。
詹姆斯·韦伯太空望远镜的近红外光谱仪拍摄到SMACS 0723背后选定星系的化学指纹，包括三个微弱的远距离物体。对几十亿年来太空膨胀造成的波长延伸进行校正后，这些星系的光谱（红色显示）显示出氧气、氢气和氖所发射的特征，与附近发现的所谓绿豌豆星系（绿色显示）的光谱惊人相似。此外，韦伯的观测结果使得首次测量这些宇宙黎明星系中的氧气量成为可能。为了阐明这些关系，谱线被垂直拉伸。
影像来源：NASA’s Goddard Space Flight Center/Rhoads et al. 2023
此外，韦伯光谱使得首次测量这些宇宙黎明星系中的氧含量成为可能。
当恒星产生能量时，它们会将氢和氦等较轻的元素转化为较重的元素。当恒星在生命结束时发生爆炸或失去外层时，这些较重的元素就会融入到形成下一代恒星的气体中，这个过程会继续下去。在宇宙的历史中，恒星不断丰富着宇宙。
韦布星系中的两个星系的氧气含量约为银河系的20%。它们类似于典型的绿豌豆星系，但在斯隆巡天观测到的附近星系中，绿豌豆星系所占比例不到0.1%。被研究的第三个星系更加不同寻常。
“我们看到的这些天体是131亿年前的样子，当时宇宙的年龄只有现在的5%。”戈达德研究人员桑吉塔·马尔霍特拉说。“我们发现它们在各个方面都是年轻的星系——充满了年轻的恒星和发光的气体，几乎不含从早期恒星回收的化学产品。事实上，其中一个星系的氧气含量仅为我们银河系的2%，可能是迄今为止发现的最原始的星系。”
NIRSpec是由空中客车工业公司为欧洲航天局（ESA）建造。它由近50万个微型快门组成的阵列——微型快门可以打开或关闭以允许或阻挡光线——使它能够一次捕获多达100个单个物体的光谱。微快门阵列和探测器子系统由NASA制造。
詹姆斯·韦伯太空望远镜是NASA及其合作伙伴欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）领导的一项国际任务，是世界上首屈一指的太空科学观测站。NASA总部负责监督该机构科学任务局的任务。NASA戈达德太空飞行中心为该机构管理韦伯，并监督太空望远镜科学研究所、诺斯罗普·格鲁曼公司和其他任务合作伙伴执行的任务。除了戈达德之外，NASA的几个中心也为该项目做出了贡献，包括该机构位于休斯顿的约翰逊航天中心、位于南加州的喷气推进实验室、位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔航天飞行中心、位于加州硅谷的艾姆斯研究中心等。