臺北市立天文科學教育館

根據一個國際科學家團隊的一項新研究發現，詹姆斯韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope ，JWST) 使用近紅外相機(NIRCam)觀測的數據，將使天文學家更精確的掌握早期星系資料，科學家從JWST觀測的遙遠星系，獲得了比以前更多的資訊，這說明JWST將使我們對宇宙中最古老星系的成長和演化有進一步的理解。

恆星質量是了解星系形成和演化的最重要的物理特性之一。因為星系中恆星的總量，將隨這星系中的新恆星持續的形成而增加，這將是追蹤星系成長最直接的方式。觀測宇宙中最古老星系(超過130億光年)，將有助於了解星系如何演化。

以往想要對這些古老星系進行準確觀測，天文學家一直面臨了一些困擾。通常，天文學家進行星系的質光比(M/L)測量，利用星系產生的光估計其中恆星的總質量，而不是逐顆計算恆星質量。至今，哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope，HST)對最遙遠星系(如大約135億年前形成的GN-z11)進行的研究僅限於紫外光(UV)光譜。

遙遠古老星系的光在達到我們這裡時經歷了顯著的紅移，當光穿越時空時，因為宇宙膨脹的因素，光的波長將變長，移向光譜的紅色端。對於紅移值(z)為7或更高的星系，大部分光將轉移到光譜的紅外光部份。例如，對於Z=7的星系，最初以0.6微米波長發出的光，最終以4.8微米的波長到達我們的望遠鏡，紅移值越高(星系越遠)，這種效應越強。

這意味需要紅外光望遠鏡來測量星系的質量，因為HST無法觀測到大部分遙遠星系的光，在JWST出現之前，科學家使用的紅外光望遠鏡是史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope，SST)，而SST已經於2020年1月30日除役。但是SST的85公分主鏡無法與JWST的6.5公尺主鏡相媲美，由於SST有限的靈敏度和角分辨率，大多數遙遠星系是SST無法檢測到的。

此外，以前的觀測可能會錯過很多紅色星系，這些星系富含灰塵(遮蔽光線)，紫外光譜極微弱。因此，科學家認為先前對早期宇宙的恆星質量密度估計可能相差多達六倍，而JWST紅外儀器套件，及其高靈敏度，將為未來研究宇宙中最古老和微弱星系，打開一扇新的窗。

在JWST發射之前，常用來觀測恆星質量的方法，通常透過假設平均質量與紫外光的比，將紫外光(HST所測量的值)轉換為恆星質量估計。質光比的關係是用少數且不確定的測量值來進行校準，這只能代表那些較容易觀察的到星系(年輕、無塵埃的星系)成員。因此，先前恆星質量測量值容易產生很大的誤差。

科學家透過JWST近紅外相機觀測資料，針對21個星系所發出的紫外光及紅移可見光(紅移範圍6.7至12.3)，進行其質量的觀測。如此可以避免以往大量假設的不確定性，並將質量測量的準確性提高5到10倍。

使用JWST的NIRCam最藍波段測量恆星的紫外光，並進行其質光比較，發現質光比不能用單一的平均值來代表，其值大約跨越兩個數量級。從物理角度來看，這一發現代表早期星系的的種類存在很大異質性，星系表現出各式各樣的物理特性。
 

圖說: 詹姆斯韋伯太空望遠鏡拍攝的第一張照片。圖片來源：NASA、ESA、CSA and STScI

JWST卓越的觀測能力，對星系中恆星質量具有更嚴格的評估能力，將有利幫助科學家在最大與最長尺度上研究宇宙學。科學家認為先前對於星系質量增長過程的認知，可能會受到重要的系統分類之影響。在我們的研究中，系統不確定性的程度影響宇宙恆星質量密度，宇宙中星系的增長為時間的函數，估計早期不同個體間存在很大差異。我們發現標準質光比的假設，導致系統不確定性可能高達幾倍，這與我們預期的精確值相差太大。這項研究已經發表在arXiv網站。

目前為止，JWST捕捉到最清晰，最詳細的宇宙圖像，並展現了其光學能力，這些圖像已經帶來許多的新發現。其中針對宇宙中古老星系如何演化，及暗物質和暗能量扮演的角色發揮重要作用。(編輯 / 林琦峯)

資料來源: universetoday