詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將利用光譜學(xué)來研究遙遠(yuǎn)星系的構(gòu)成

在最近幾周，韋伯團(tuán)隊(duì)分享了一種對(duì)早期宇宙進(jìn)行理論建模的技術(shù)。周五，他們討論了一個(gè)觀測(cè)計(jì)劃，以幫助回答其中的一些問題。太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所韋伯任務(wù)辦公室負(fù)責(zé)人Massimo Stiavelli也講述了他計(jì)劃對(duì)第一批恒星和星系進(jìn)行的調(diào)查。

在大爆炸之后，早期宇宙的化學(xué)成分是宇宙存在最初幾分鐘內(nèi)發(fā)生的核過程的產(chǎn)物。這些過程被稱為“原初核合成”。這個(gè)模型的預(yù)測(cè)之一是，早期宇宙的化學(xué)成分主要是氫和氦。只有較重元素的痕跡，這些元素后來在恒星中形成。這些預(yù)測(cè)與觀測(cè)結(jié)果相符，實(shí)際上是支持熱大爆炸模型的關(guān)鍵證據(jù)之一。

最早的恒星是由具有這種原始成分的材料形成的。找到這些恒星，通常被稱為“First Stars”或“Population III stars”，是對(duì)我們的宇宙學(xué)模型的一個(gè)重要驗(yàn)證，而且它是在詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的范圍之內(nèi)。韋伯可能無法探測(cè)到宇宙之初的單個(gè)恒星，但它可以探測(cè)到一些包含這些恒星的第一批星系。

確認(rèn)我們是否找到第一批恒星的一個(gè)方法是精確測(cè)量非常遙遠(yuǎn)的星系的金屬性。天文術(shù)語“金屬性”是對(duì)比氫和氦更重的物質(zhì)數(shù)量的測(cè)量--因此，一個(gè)低金屬性的星系將表明它是由這些“首批恒星”組成的。迄今為止發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的星系之一，被稱為MACS1149-JD1，被證實(shí)處于紅移9.1，并在宇宙只有6億年歷史時(shí)發(fā)出了我們看到的光。來自這個(gè)遙遠(yuǎn)的星系的光從那時(shí)起就一直在旅行，現(xiàn)在剛剛到達(dá)我們這里。

在韋伯科學(xué)的第一年，我有一個(gè)觀測(cè)計(jì)劃來研究這個(gè)星系并確定其金屬性。我將通過嘗試測(cè)量氧離子發(fā)出的兩條光譜線的強(qiáng)度比例來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這兩條光譜線最初是在紫藍(lán)色和藍(lán)綠色的可見光下發(fā)出的（靜止框架波長(zhǎng)為4363埃和5007埃）。由于宇宙學(xué)上的紅移，這些線條現(xiàn)在可以在韋伯能看到的紅外波長(zhǎng)下被探測(cè)到。使用同一離子的兩條線的比率可以對(duì)這個(gè)星系的氣體溫度進(jìn)行精確的測(cè)量，通過相對(duì)簡(jiǎn)單的理論建模，將對(duì)其金屬性進(jìn)行有力的測(cè)量。

挑戰(zhàn)在于，這些線條中的一條通常是非常弱的。然而，這條線在較低的金屬度下往往會(huì)變強(qiáng)。因此，如果我們未能探測(cè)到MACS1149-JD1的這條線并測(cè)量其金屬性，這很可能意味著它已經(jīng)被較重的元素富集了，我們需要進(jìn)一步努力尋找。無論是使用我的數(shù)據(jù)還是使用未來的計(jì)劃，我完全期望在韋伯的運(yùn)行壽命中，能夠找到金屬性足夠低的天體，以掌握了解第一代恒星的關(guān)鍵。