青少年星系异常炎热闪烁着意想不到的元素

与人类青少年类似，青少年星系也很笨拙，会经历快速成长并喜欢重金属——即镍。

西北大学领导的天体物理学家团队刚刚分析了 CECILIA(星际极光中使用电离线约束化学演化)调查的第一个结果，该项目使用 NASA 的詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 研究遥远星系的化学成分。

根据早期结果，所谓的“青少年星系”——在大爆炸后二三十亿年形成——温度异常高，并且含有意想不到的元素，比如镍，这些元素是出了名的难以观测。

该研究将于周一(11 月 20 日)发表在《天体物理学杂志快报》上。它标志着 CECILIA 调查即将开展的一系列研究中的第一项。

“我们正试图了解星系在 140 亿年的宇宙历史中是如何生长和变化的，”这项 研究的领导者、西北大学的艾莉森·斯特罗姆 (Allison Strom)说。“利用 JWST，我们的项目针对的是正在经历快速增长和变化的混乱时期的青少年星系。青少年的经历常常决定他们成年后的轨迹。对于星系来说，也是一样的。”

斯特罗姆是 CECILIA 调查的主要研究员之一，是西北大学 温伯格艺术与科学学院的物理学和天文学助理教授，也是西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心 (CIERA) 的成员 。Strom 与卡内基天文台科学家 Gwen Rudie 共同领导了 CECILIA 调查。

“化学DNA”让我们深入了解星系的形成

以塞西莉亚·佩恩-加波施金 (Cecilia Payne-Gaposchkin) 的名字命名，她是首批获得博士学位的女性之一。在天文学中，CECILIA 巡天观测来自遥远星系的光谱(或不同波长的光量)。斯特罗姆将星系的光谱比作它的“化学 DNA”。通过检查星系“青少年”时期的 DNA，研究人员可以更好地了解它如何成长以及如何演化为更成熟的星系。

例如，天体物理学家仍然不明白为什么有些星系看起来“红色且死亡”，而其他星系(例如我们的银河系)仍在形成恒星。星系的光谱可以揭示其关键元素，例如氧和硫，这为了解星系之前的行为以及未来可能的行为提供了一个窗口。

“青少年时期非常重要，因为那是成长最快的时期，”斯特罗姆说。“通过研究这一点，我们可以开始探索导致银河系看起来像银河系的物理原理，以及为什么它看起来可能与邻近的星系不同。”

在这项新研究中，Strom 和她的合作者在去年夏天使用 JWST 连续观察了 33 个遥远的青少年星系 30 个小时。然后，他们将其中 23 个星系的光谱组合起来，构建出一幅合成图片。

“这消除了单个星系的细节，但让我们更好地了解平均星系。它还使我们能够看到更微弱的特征，”斯特罗姆说。“它比我们在宇宙历史上这个时期用地面星系望远镜收集到的任何光谱都要更深、更详细。”

光谱惊喜

超深光谱揭示了八种不同的元素：氢、氦、氮、氧、硅、硫、氩和镍。所有比氢和氦重的元素都在恒星内部形成。因此，某些元素的存在提供了有关整个星系演化过程中恒星形成的信息。

虽然斯特罗姆预计会看到较轻的元素，但她对镍的存在感到特别惊讶。镍比铁重，非常稀有且难以观察。

“在我最疯狂的梦想中，我从未想象过我们会看到镍，”斯特罗姆说。“即使在附近的星系中，人们也观察不到这一点。星系中必须存在足够的元素以及观察它的合适条件。没有人谈论过观察镍。元素必须在气体中发光才能让我们看到它们。因此，为了让我们看到镍，星系内的恒星可能有一些独特之处。”

另一个惊喜：青少年星系非常热。通过检查光谱，物理学家可以计算星系的温度。虽然最热的星系区域温度可以达到 9,700 摄氏度(17,492 华氏度)以上，但青少年星系的温度却高于 13,350 摄氏度(24,062 华氏度)。

斯特罗姆说：“这只是额外的证据，证明星系年轻时可能有多么不同。” “最终，我们看到更高的特征温度这一事实只是它们不同化学DNA的另一种表现，因为星系中气体的温度和化学性质具有内在的联系。”

这项名为“CECILIA：z~2-3 恒星形成星系的微弱发射线谱”的研究得到了 NASA、匹兹堡基金会和科学进步研究公司的支持。这些数据来自太空望远镜科学研究所的米库斯基太空望远镜档案馆和 WM 凯克天文台。