天文学家首次在最遥远的星系中发现恒星

J2255+0251(上图)和 J2236+0032(下图)周围区域的 NIRCam 图像。 图片来源:Ding, X. 等。 (2022)

自 2021 年 12 月 25 日发射以来,詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 拍摄了最清晰、最详细的宇宙图像,甚至超过了它的前身——令人尊敬的哈勃太空望远镜。 但特别令人兴奋的是我们可以期待的各种观测,JWST 将利用其先进的能力来解决一些最紧迫的宇宙学谜团。 例如,存在于宇宙最初十亿年的高红移超大质量黑洞 (SMBH) 或明亮发光的类星体所带来的问题。

迄今为止,天文学家无法确定 SMBHs 是怎样在大爆炸后这么短的时间内形成的。 部分问题在于,直到最近,红移值 Z>2(在 103.24 亿光年以内)的宿主星系中的恒星仍然难以捉摸。 但多亏了 JWST,一个国际天文学家团队最近首次观测到 Z>6(127.16 亿光年以内)类星体中的恒星。 他们的观察最终可以让天文学家评估早期类星体中控制第一个 SMBHs 形成和演化的过程。

该团队由来自日本、中国、欧洲、英国、美国、巴西、台湾和以色列的多个研究所、大学和天文台的天文学家组成。 著名机构包括科弗里研究所、马克斯普朗克研究所、巴黎天体物理学研究所 (IAP) 以及日本国家天文台 (NAOJ)、WM 凯克天文台、斯图尔德天文台、莱顿天文台等天文台, 和别的。 他们的研究“首次检测来自 z>6 的类星体宿主星系的恒星光”正在接受审查,以便在《自然》杂志上发表,该论文的一个版本可在 arXiv 预印本服务器上找到。

在 JWST 之前,高红移星系的观测受到数据质量的限制,无法提供必要的高质量点扩散函数 (PSF)。 这描述了光学系统获得远距离点光源的高分辨率和聚焦图像的能力。 为了阐明新的观测结果,《今日宇宙》采访了项目负责人和主要作者 Xuheng Ding(Kavli PMU)以及共同作者 Masafusa Onoue(Kavli PMU/马克斯普朗克天文学研究所)和 John D. Silverman(Kavli PMU/大学)东京)。 正如他们通过电子邮件联系:

“基本上,要揭示类星体的宿主星系,需要进行类星体+宿主图像分解。类星体是一个未解决的点源,可以用缩放的PSF来描述。通常,PSF的这些信息来自视野中孤立的星星。

“此外,JWST 具有更高分辨率的数据,与 HST 相比,可以观察到更红的波长,从而使这项研究能够达到更高的红移样本。该计划的另一个优点是我们提出要观察低光度类星体,这使得减去类星体图像更容易。”

他们为研究选择的类星体是 J2255+0251 和 J2236+0032,这是两个相对低光度的类星体,红移分别为 6.34 和 6.40。 这对应于大约 1343657 和 135.637 亿光年的距离(当我们看到的光离开这些物体时),或今天的 248.76 和 251.1 亿光年。 这些类星体最初是作为名为斯巴鲁低光度类星体 (SHELLQs) 的斯巴鲁高-z 探索的调查的一部分而被确定的。 本次巡天利用斯巴鲁望远镜的 HSC 仪器观测了大爆炸 10 亿年后存在的 162 个低光度类星体。


钱德拉 X 射线天文台拍摄的四个 SMBH 图像。 图片来源:X 射线:NASA/CXC 插图:CXC/M。 维斯

这些类星体现在是 JWST 计划后续观测的对象,以研究高红移星系并首次观测其盘中的恒星。 在他们的研究中,该团队检查了 JWST 近红外相机 (NIRCam) 获得的数据,然后建模并减去类星体本身的眩光。 然后,他们将他们的观察结果与高红移模拟类星体宿主的研究进行了比较。 该团队注意到这些类星体及其 SMBH 的一些有趣特征,这些特征使它们有别于其他早期星系。

“结果表明,这两个类星体的宿主星系巨大而紧凑,”丁和他的同事说。 “中心位置偏移类星体,可能是由于尘埃衰减不均匀,或者可能表明这些 SMBH 还没有位于引力势井的中心。”

这类似于最近依靠阿塔卡马大毫米-亚毫米阵列 (ALMA) 对 z>6 类星体宿主星系的观测。 这些观测还注意到早期类星体中心 SMBH 与周围星际气体、尘埃和恒星之间的偏移。 该团队还指出,这些偏移可能是由于潮汐力产生的不对称造成的,可能是由于星系相互作用或冷气体的块状增生。 该团队将根据 JWST 的 12 个早期类星体近红外光谱仪 (NIRSpec) 的数据,在进一步的论文中检验这些假设。 正如丁和他的同事所说,

“第一篇论文的重要性凸显了 JWST 的巨大力量,并证明了在 z>6 处检测类星体宿主是可能的。最终,我们的计划将建立第一个 z~6 类星体对宿主恒星质量和 SMBH 质量的测量关系,这将被用来了解它们对银河系及其中心 SMBH 的共同演化。这些工作也将有助于了解早期宇宙中 SMBH 的起源。