韦布的“酒杯”揭示了哪些宇宙的秘密？

来源:中科院半导体所发布时间:2023-01-141186浏览

文章来源：赛先生原文作者：王鑫

图片来源：http://glass.astro.ucla.edu/

划时代的詹姆斯·韦布空间望远镜已经升空一年有余。作为现今最强大的近红外空间望远镜，韦布在出发之前就选取了13个先导项目，“韦布的酒杯 ”—— GLASS-JWST项目就是其中之一。本期赛先生天文，项目核心成员、中国科学院大学王鑫为我们分享GLASS-JWST的前世今生以及它所揭示的星系团背后的故事。王鑫| 撰文王馨心、吕浩然| 责编詹姆斯·韦布空间望远镜（下文简称JWST）是联合了美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）三家之力，造价超过100亿美元的空间旗舰项目。它于2021年12月25日在法属圭亚那发射升空，经过1个多月的航行，前往距离地球150万公里的拉格朗日L2点进行科学观测。依照NASA领衔的空间望远镜观测项目惯例，每年至少一次公开向全球天文学家征集观测项目。所提交的观测项目会经过层层淘汰，筛选出优胜项目并被给予观测时间。除了这种公开征集的General Observing一般观测项目，JWST前几个运行编排周期（Cycle）内，还存在Guaranteed Time Observation Programs（保证时间观测项目）和Early Release Science （ERS） Programs（早期释放科学项目），前者是奖励在JWST建造过程中做出杰出贡献的天文学家和相关团队，后者则是在2017年由NASA下辖的空间望远镜研究所（Space Telescope Science Institute，简称STScI）向全世界天文学界征集的先导项目。SAIXIANSHENGGLASS-JWST的前世今生

最终，13个项目脱颖而出，成为被空间望远镜研究所所长特批的先导项目，在JWST升空1年内观测完毕，其数据会即时公开，提供给全世界的天文学家进行科学分析。说白了，JWST这个量级的科学仪器，总要带着些精挑细选的前置任务，而不是飞到目的地才开始安排。无缝光谱透镜深场巡天（GLASS-JWST）先导项目就是这13个ERS项目的其中之一。笔者为该项目的核心成员，这个项目的前身是GLASS-HST项目。GLASS全称为The Grism Lens-Amplified Survey from Space，中文名称为无缝光谱透镜深场巡天，是哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope, HST）第21个运行编排周期（Cycle-21）内执行的大型项目。该项目获得了140个轨道周期的观测，使用第三代宽视场照相机（Wide-Field Camera 3）上搭载的两个近红外无缝光谱仪（G102 与 G141）对10个星系团中心场进行了无缝光谱观测。由于哈勃空间望远镜在低地轨道（Low Earth Orbit）运行，每个轨道周期在轨运行时间大约为90分钟，其中科学曝光时间45分钟。这140个轨道周期的观测时间平均分配给10个星系团中心场，其中包括红移0.308的Abell 2744星系团场（见图1）。GLASS-HST项目产出了丰硕的科学成果，尤其在高效完善的无缝光谱分析软件与高红移星系光谱信息空间分辨分析等方面取得了划时代的进展。借由该项目营造的巨大优势，笔者所在的团队提出了使用JWST进一步进行深入无缝光谱与多目标狭缝光谱观测的透镜深场观测申请，这一申请被顺利批准成为GLASS-JWST项目。

图1: GLASS-HST与GLASS-JWST的主要目标天区：Abell 2744 （红移0.308）星系团中心场。红色和绿色方框代表了HST/WFC3的视场，分别对应两个几近正交的分光方向，如右上角的箭头所示。图片来源：参考文献[1]SAIXIANSHENGGLASS-JWST的科学目标

JWST是一台通用型空间望远镜，兼具从近红外到中红外波段的各种观测模式，除了导星仪外，其光学平台搭载了4个科学仪器，分别是：近红外照相机（NIRCam）、近红外光谱仪（NIRSpec）、中红外成像和光谱仪（MIRI）和近红外成像和光谱仪（NIRISS）。如图2所示，这四个科学终端设备覆盖了从近红外到中红外（0.6-28µm）的所有波长范围，并提供了极为丰富的观测模式，包括多目标狭缝光谱观测（高、中、低波长分辨率）、积分场光谱仪（NIRSpec 高分辨率和 MIRI 中分辨率）以及无缝光谱观测（NIRISS 低分辨率和 NIRCam 高分辨率）。

图2：JWST的4个主要后端科学仪器的波长覆盖和视场范围。GLASS-JWST项目使用了其中3个后端仪器：NIRISS, NIRSpec 和 NIRCam。图片来源：参考文献[2]功能强大的科学仪器给科学家了解宇宙新的机遇，却也提出了更高的要求：在窗口期极短的情况下，科学目标的制定、观测源的筛选、观测计划的设计与推进……综合起来，就是要在相对短的时间内，尽可能地观测并得到重要信息。科学目标方面，对于性能部分重叠（波段覆盖与观测模式）的这四个仪器，如何科学高效地利用成为了科学家首先思考的问题：选择哪些设备进行有针对性的观测？高波长分辨率的狭缝光谱观测空间延展源（例如高红移星系）时，狭缝的固定0.2角秒宽度会带来哪些光谱观测的系统误差？低波长分辨率的无缝光谱观测所带来的谱线交叠现象对星系物理参数的测量是否有影响？极高红移星系的静止波长光学波段的光谱和图像包含哪些特征？这四个后端仪器与众多的观测模式需要尽快让天文学界熟识，才能提出合理、高效的观测项目，充分利用宝贵的观测时间。基于JWST强大的观测能力，它被期待在其相对短暂的运行时间里，解答高红移星系形成与演化领域的一系列关键问题。而GLASS-JWST项目则主要致力于回答如下关键问题：1. 通过搜寻高红移星系，探测其中的Lyman-alpha等谱线来限制宇宙再电离的时间线索，研究哪些天体主要推动了宇宙再电离（cosmic reionization）过程。宇宙再电离指的是在宇宙诞生10亿年内，星系际介质中中性氢含量急剧降低的过程，这是宇宙最后一次经历的整体相变，其主要能量来源目前还在不断探究过程中。2. 通过高精度金属丰度空间分布作为探针，研究中高红移星系中的恒星形成与反馈效应、气体吸积与外流等物理过程在星系形成演化中起的作用，探索重子物质（氢、碳、氧、氮等元素）如何在中高红移星系中的星际介质与星系际介质周边循环。观测源选取方面，将前文提到的Abell 2744星系团选作GALSS-JWST的观测天区，科学家们也经过了深思熟虑。首先，Abell 2744是六个哈勃望远镜透镜超深场星系团之一（Hubble Frontier Fields）。在这个天区内，存在极深的高精度HST成像数据（每个星系团中心场投入近200轨曝光）与多波段观测数据（包括Chandra X-射线观测和ALMA亚毫米波观测）。同时该天区也存在异常丰富的光谱观测数据与红移星表。可以说，HST打下了很好的观测基础。其次，Abell 2744星系团具有极其精确的质量模型。星系团中心场相较于空白场对于河外星系巡天的优势在于引力透镜效应：前景的大质量星系团可以作为天然望远镜，放大背景星系的观测细节（达到亚千秒差距级别的极高角分辨率），并提升观测对象的极限星等，使内禀更暗的源也能被探测到。但是，这一切的前提是这个前景引力场的性质能被很好地理解。通过使用精细的强和弱引力透镜效应信号约束，Abell 2744的质量模型（包括可见物质和暗物质）已经被很好的重构。此外，由于JWST先导项目具备极高的时效性，需要在Cycle 1前几个月结束观测。而由于JWST的设计，可观测天区窗口是有限的。在我们为数不多的候选目标天区中，Abell 2744由于其比较低的银河系尘埃消光脱颖而出，成为我们先导项目的主打观测目标。科学目标、观测源既定，观测模式和规划也必须行之有效。为了高效地实现科学目标，针对Abell 2744星系团中心场，GLASS-JWST项目组采取了以下观测模式：

1. 近红外相机和无缝光谱仪（NIRISS）

采用3个波段（F115W、F150W和F200W）进行观测，每个波段使用2个分光方向GR150C和GR150R（如图3所示）。相较于HST，JWST/NIRISS仪器装备了两个正交色散的分光仪，这个举措使我们不需要像GLASS-HST项目一样间隔近半年的观测时间、通过改变望远镜观测的方位角来得到几近正交的两个分光方向。JWST/NIRISS通过转动滤光轮，可以对同一天区获得相互垂直色素的无缝光谱曝光，这对稠密星场的抽谱分析工作至关重要。

图3：GLASS-JWST项目对Abell 2744星系团中心场的无缝光谱观测。左上：三色伪彩图展示了NIRISS探测器的视场。右上：截取的中间一部分NIRISS直接成像观测。左下和右下分别对应该zoom-in的中间天区两个正交色散方向得到的无缝光谱观测数据。图片来源：参考文献[3]2. 近红外光谱仪（NIRSpec）选取3个波段（F100LP、F170LP和F290LP）分别对应3个分光仪（G140H、G235H和G395H），进行高波长分辨率（R~2700）的光谱观测。JWST NIRSpec仪器首次带来了空间多目标高分辨率狭缝光谱观测模式，该设备通过精密排布总数为近25万个小快门来实现针对特定空间位置源的观测。3. 近红外照相机（NIRCam）在进行星系团中心场光谱观测的同时，我们还采用平行场协同观测的模式（Coordinated Parallels）对距离目标中心近7角分处的天区进行深度多色成像观测。共采用6个波段观测（F115W、F150W、F200W、F277W、F356W和F444W），几乎涵盖了NIRCam仪器所有最为灵敏的宽带滤光片。SAIXIANSHENG现阶段的主要成果

GLASS-JWST项目运行5个月以来在高红移星系搜寻、特殊星系物理性质研究、高放大率恒星证认、高红移星系尺度-光度关系、低质量空间可分解星系金属丰度研究、高红移星系恒星形成历史研究、低质量宁静星系光谱证认等领域获得了一系列成果。笔者在这里简单介绍一下其中的三个方面：

1. 极高红移星系候选体的发现

科研人员通过分析GLASS-JWST项目平行场NIRCam的多色成像数据发现了2个超高红移星系（红移12.5和10.5）。通过不同的分析方法殊途同归地发现了GLASS-z12和GLASS-z10这两个极高红移星系候选体（如图4所示）。

图4：GLASS-JWST项目发现的两个极高红移星系候选体。图片来源：参考文献[4]

通过形态与光谱能量分布信息的分析表明，在大爆炸发生后的3、4亿年左右即形成了这两个十亿倍太阳质量的星系。这些极高红移（即年代非常久远的古老星系）的星系呈现令人惊叹的高亮度与致密的形态，与理论的预期和近邻星系的属性截然不同。

2. 中高红移矮星系金属丰度梯度的测量

红移z在2-3的范围，对应整个宇宙恒星形成过程中最剧烈的历史时期。银河系在这一历史阶段恒星形成的活跃程度也快速提升并抵达峰值。通过研究金属元素丰度在该红移处星系盘范围内的空间分布，天文学家可以有效地示踪星际介质里气体流动、恒星形成反馈效应与环境因素对星系形成与演化的影响，帮助我们理解银河系在演化早期的结构形成与金属增丰过程。

GLASS-JWST项目在国际上首次使用JWST无缝光谱数据对高红移星系进行的空间分辨分析，也是针对红移高于3的星系的首例高精度金属丰度径向梯度测量（如图5所示）。该工作借助JWST高空间分辨率、高灵敏度的近红外波长覆盖优势，捕捉到高红移矮星系中存在极端反常的内低外高的反转金属丰度径向梯度。通过进一步分析发现，星系并合过程中引力作用带来的贫金属气体内流很可能是造成这一极端反常的反转金属梯度的原因。

图5：GLASS-JWST项目测得首例红移高于3的星系的高精度金属丰度梯度，（这里可以增加一些图片说明，比如各色点、线代表的信息等）。图片来源：参考文献[5]

3. 最高红移原初星系团证认

通过GALSS-JWST NIRSpec的观测，光谱证认了目前观测到的红移最高（红移7.89）的原初星系团，其中包含6个光谱证认星系，以及9个测光红移星系候选体。该星系团场暗物质晕质量高于四千亿倍太阳质量，速度弥散约为1200±300km/s。这次原初星系团场证认的成功表明通过NIRSpec低分辨率但宽波段覆盖的光谱观测证认高红移星系是一种成功且高效的方式，这有助于我们深入理解星系团在宇宙再电离时期的作用。

图6：GLASS-JWST项目证认的红移最高的原初星系团（z = 7.89），图片来源：参考文献[6]SAIXIANSHENGGLASS-JWST对未来的指引

随着JWST观测在如火如荼地进行，越来越多的关键性发现会不断浮出水面。包括GLASS-JWST项目在内的13个先导项目的所有数据采集工作将宣告完成，这些数据的公开性与实效性将为河外星系等研究领域带来极大的促进作用。毫无疑问，星系研究将进入一个新时代，这是全世界天文学家们的盛筵，期待JWST为我们带来更多惊艳的科学成果！
参考文献：（上下滑动可浏览）

[1] Xin Wang et al. A Census of Sub-kiloparsec Resolution Metallicity Gradients in Star-forming Galaxies at Cosmic Noon from HST Slitless Spectroscopy. 2020, ApJ, 900, 183

[2] https://www.stsci.edu/jwst/instrumentation

[3] Tommaso Treu et al. The GLASS-JWST Early Release Science Program. I. Survey Design and Release Plans. 2022, ApJ, 935, 110

[4] https://webbtelescope.org/contents/news-releases/2022/news-2022-044

[5] Xin Wang et al. Early Results from GLASS-JWST. IV. Spatially Resolved Metallicity in a Low-mass z ∼ 3 Galaxy with NIRISS. 2022, ApJL, 938, L16

[6] Takahiro Morishita et al. Early results from GLASS-JWST. XVIII: A spectroscopically confirmed protocluster 650 million years after the Big Bang. arXiv:2211.09097

作者简介：
王鑫，中国科学院大学副教授。主要从事空间望远镜数据处理算法开发，第一代恒星搜寻，星系形成与化学演化，暗物质空间分布等领域的天文研究。被选为詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）大师班成员，应美国航空航天局（NASA）授权负责为JWST培养观测人才。目前以首席科学家身份主持两项哈勃空间望远镜（HST）中型级别观测项目，作为核心成员参与数项珍宝级和大型JWST、HST观测项目。

制版编辑 | Livan

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