詹姆斯·韦伯太空望远镜将利用光谱学来研究遥远星系的构成

在最近几周，韦伯团队分享了一种对早期宇宙进行理论建模的技术。周五，他们讨论了一个观测计划，以帮助回答其中的一些问题。太空望远镜科学研究所韦伯任务办公室负责人Massimo Stiavelli也讲述了他计划对第一批恒星和星系进行的调查。

在大爆炸之后，早期宇宙的化学成分是宇宙存在最初几分钟内发生的核过程的产物。这些过程被称为“原初核合成”。这个模型的预测之一是，早期宇宙的化学成分主要是氢和氦。只有较重元素的痕迹，这些元素后来在恒星中形成。这些预测与观测结果相符，实际上是支持热大爆炸模型的关键证据之一。
最早的恒星是由具有这种原始成分的材料形成的。找到这些恒星，通常被称为“First Stars”或“Population III stars”，是对我们的宇宙学模型的一个重要验证，而且它是在詹姆斯·韦伯太空望远镜的范围之内。韦伯可能无法探测到宇宙之初的单个恒星，但它可以探测到一些包含这些恒星的第一批星系。
确认我们是否找到第一批恒星的一个方法是精确测量非常遥远的星系的金属性。天文术语“金属性”是对比氢和氦更重的物质数量的测量--因此，一个低金属性的星系将表明它是由这些“首批恒星”组成的。迄今为止发现的最遥远的星系之一，被称为MACS1149-JD1，被证实处于红移9.1，并在宇宙只有6亿年历史时发出了我们看到的光。来自这个遥远的星系的光从那时起就一直在旅行，现在刚刚到达我们这里。
在韦伯科学的第一年，我有一个观测计划来研究这个星系并确定其金属性。我将通过尝试测量氧离子发出的两条光谱线的强度比例来实现这一目标，这两条光谱线最初是在紫蓝色和蓝绿色的可见光下发出的（静止框架波长为4363埃和5007埃）。由于宇宙学上的红移，这些线条现在可以在韦伯能看到的红外波长下被探测到。使用同一离子的两条线的比率可以对这个星系的气体温度进行精确的测量，通过相对简单的理论建模，将对其金属性进行有力的测量。
挑战在于，这些线条中的一条通常是非常弱的。然而，这条线在较低的金属度下往往会变强。因此，如果我们未能探测到MACS1149-JD1的这条线并测量其金属性，这很可能意味着它已经被较重的元素富集了，我们需要进一步努力寻找。无论是使用我的数据还是使用未来的计划，我完全期望在韦伯的运行寿命中，能够找到金属性足够低的天体，以掌握了解第一代恒星的关键。

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