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韦布拍不到的星系?借宇宙透镜放大百倍,才测出它的氧少得惊人

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在韦布拍摄的照片上,LAP1-B星系连一个可辨认的光点都没留下。可把同一片天空的光拆成不同波长,氢和氧的信号就冒了出来。中岛王彦团队估算,这团气体的氧氢比只有太阳的约二百四十分之一。它的光走了约130亿年,出发时宇宙才8亿岁。



背景是前景星系团,小窗由氢和氧的谱线合成。图/NASA、ESA、CSA、K. Nakajima等,Nature

光已经放大百倍,怎么还拍不出来

恰好位于视线前方的,是一个叫MACS J0416的星系团。它的引力把后方星系的光路弯了过来,研究团队估计,LAP1-B传到望远镜的光因此增强了约一百倍。引力透镜有时还会让同一个背景天体在照片上重复出现。下一张图里,字母标的是同一对星系的五个像,可以直观看出光路被扭成什么样。



另一例引力透镜,A到E是同一对星系的五个像。图/NASA、ESA、CSA、STScI、V. Estrada-Carpenter

即便借到这面天然透镜,LAP1-B的恒星光也弱得很。相机把一段波长范围内的光合在一起成像,分光仪则把光按波长摊开。星系里受恒星辐射激发的气体,会在少数特定波长集中发光。韦布用分光仪积累了三十多个小时的数据,才从背景里捞出几条窄窄的谱线。

第一张图里的小窗就是用谱线画出来的。绿色标记氧发出的光,蓝色和红色分别对应两条氢谱线。横向表示气体沿视线的速度,纵向表示它在天空中的位置,蓝色信号还特意横移了一段,方便辨认。要算气体里有多少氧,得回到谱线的强度,再用模型估算气体条件对发光的影响。小窗的配色用来区分谱线。

氧极少,碳和氧的比值却偏高

把太阳当尺子量两次,就能看清这组数字的反差。每份氢对应的氧,约为太阳的二百四十分之一。每份氧对应的碳,却约为太阳的1到2倍。用这两个数粗算,每份氢对应的碳,也只在太阳的百分之一以下。碳的绝对丰度很低,它引人注意,是因为在如此缺氧的气体里,碳相对氧的比例仍然偏高。

早期恒星把新生成的碳和氧抛回周围气体,下一批恒星再从这些气体里长出来。这团气体的碳氧比与一些第一代恒星爆炸的模型相符。给气体供能的辐射中,高能光子格外多,能把多个电子从碳原子上剥离。两条线索合起来指向极度缺乏重元素的恒星活动,究竟是哪批恒星留下了这份成分,还得靠更深的光谱检验。



虚线圈出狮子座IV矮星系,右图为哈勃近照。图/NASA、ESA、T. Brown(STScI)

银河系周围也有一批暗得难找的小星系,比如图中的狮子座IV。天文学家可以查它们的老恒星身上留下了哪些元素,反推当年造星的气体。韦布在LAP1-B上拿到的是另一种记录,光出发时,那里的气体还在发光,星系仍在造星。两个时代的证据可以互相对照,看看今天那些只剩老恒星的小星系,年轻时会是什么模样。

如果韦布再拿到三十小时观测时间,你更想让它盯紧这团气体,弄清碳和氧从哪来,还是去找一个比它更早、更暗的小星系?

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