韦伯太空望远镜捕捉到宇宙宝石弧中的星团

由JWST观测到的宇宙宝石弧。资料来源:ESA/Webb, NASA和CSA

一个国际天文学家团队利用美国宇航局/欧空局/CSA詹姆斯韦伯太空望远镜发现了4.6亿年前宇宙受到引力束缚的星团。这是在宇宙大爆炸后不到5亿年的婴儿星系中首次发现星团。

这项研究发表在《自然》杂志上。

早期宇宙中的年轻星系经历了恒星形成的重要爆发阶段，产生了大量的电离辐射。然而，由于它们的宇宙距离，直接研究它们的恒星内容被证明是具有挑战性的。利用韦伯，一个国际天文学家团队现在在宇宙宝石弧(SPT0615-JD1)中发现了五个年轻的大质量星团，这是一个强透镜星系，在宇宙大约4.6亿年的时候发出光，回顾了97%的宇宙时间。

宇宙宝石弧最初是在美国宇航局/欧空局哈勃太空望远镜的图像中发现的，这些图像是由透镜星系团SPT-CL J0615−5746的再电离透镜星系团调查项目获得的。

“这些星系被认为是早期宇宙再电离的强烈辐射的主要来源，”斯德哥尔摩大学和瑞典奥斯卡·克莱因中心的首席作者安吉拉·阿达莫说。“宇宙宝石弧的特别之处在于，由于引力透镜，我们实际上可以将星系分解到秒差距尺度。”

有了韦伯，科学团队现在可以看到恒星形成的位置以及它们是如何分布的，就像哈勃太空望远镜用来研究当地星系一样。韦伯的观点提供了一个独特的机会，可以在如此前所未有的距离上研究恒星形成和婴儿星系的内部运作。

“韦伯望远镜在近红外波段令人难以置信的灵敏度和角度分辨率，加上巨大前景星系团提供的引力透镜，使这一发现成为可能，”太空望远镜科学研究所的拉里·布拉德利解释说，他是韦伯观测项目的负责人，负责捕捉这些数据。“没有其他望远镜能发现这个。”

阿达莫补充说:“当我们第一次打开韦伯的图像时，惊喜和惊讶是难以置信的。”“我们看到了一小串明亮的点，从一边镜像到另一边——这些宇宙宝石是星团。如果没有韦伯，我们就不会知道我们正在观察一个如此年轻的星系中的星团。”

在我们的银河系中，我们看到了古老的球状星团，它们受到引力的束缚，已经存在了数十亿年。这些是早期宇宙中强烈恒星形成的古老遗迹，但人们并不清楚这些星团是在何时何地形成的。在宇宙宝石弧中探测到的大质量年轻星团为我们提供了一个很好的视角，让我们可以看到一个可能继续形成球状星团的过程的早期阶段。

宇宙宝石弧中镜像星团的放大图

新发现的弧形星团质量巨大，密度大，位于星系的一个很小的区域，但它们也贡献了来自宿主星系的大部分紫外线。这些星团比附近的星团密度大得多。这一发现将帮助科学家更好地了解婴儿星系是如何形成恒星的，以及球状星团是在哪里形成的。

研究小组指出，这一发现连接了多个科学领域。

阿达莫解释说:“这些结果提供了直接的证据，表明在再电离时代，原始球状星团形成于微弱的星系中，这有助于我们理解这些星系是如何成功地再电离宇宙的。”

“这一发现也对球状星团的形成及其初始性质提出了重要的限制。例如，在星团中发现的高恒星密度为我们提供了它们内部发生过程的第一个迹象，为超大质量恒星和黑洞种子的可能形成提供了新的见解，这对星系演化都很重要。”

在未来，该团队希望能够建立一个类似分辨率的星系样本。

宇宙中黑色背景上的星系群。中间是几十个黄色星系的集合，它们形成了一个前景星系团

“我相信在早期宇宙中还有其他类似的系统等待被发现，使我们能够进一步了解早期星系，”来自意大利博洛尼亚国际物理研究所天体物理学和空间科学天文台(OAS)的Eros Vanzella说，他是这项工作的主要贡献者之一。

与此同时，研究小组正准备用韦伯进行进一步的观测和光谱分析。

“我们计划在第三周期用韦伯的NIRSpec和MIRI仪器研究这个星系，”布拉德利补充说。“NIRSpec观测将使我们能够确认星系的红移，并研究星团的紫外线发射，这将用于更详细地研究它们的物理特性。MIRI的观测将使我们能够研究电离气体的性质。光谱观测也将使我们能够在空间上绘制恒星形成速率。”