破纪录哈勃发现有史以来最遥远恒星

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此前最遥远恒星纪录的保持者发出的光,花了90亿年(译者注:由于宇宙膨胀,实际共动距离为亿光年)才到达地球,它是一颗巨大的蓝色恒星,名为“伊卡洛斯”(Icarus)。

需要注意的是,“埃兰迪尔”(Earendel)不应与已知的最古老恒星相混淆,后者名为“玛士撒拉”(Methuselah),于年被哈勃望远镜发现。

哈勃还保持着最远宇宙距离星系纪录,这一最远星系的光花了亿年才到达地球。

图片来源:NASA

美国航空航天局(NASA)的哈勃空间望远镜(HubbleSpaceTelescope)创立了一个了不起的新标杆:它探测到了宇宙大爆炸后最初十亿年内的恒星发出的光,这是迄今为止观测到的最遥远的单颗恒星。

相比哈勃望远镜年探测到的“伊卡洛斯”,也就是在此之前的最远单颗恒星纪录保持者,这一发现是一个巨大的飞跃。“伊卡洛斯”存在于宇宙大约40亿岁,也就是只有当前宇宙年龄30%的时候,天文学家称该时刻为“红移1.5”(redshift1.5)。之所以使用“红移”这个词,是因为随着宇宙的膨胀,来自遥远天体的光传播到地球时会被拉伸,或“移动”到更长、更红的波长。

这颗新发现的恒星距离地球如此之远,以至于它的光需要亿年才能到达地球(译者注:由于宇宙膨胀,该恒星的共动距离为亿光年),在我们看来,它就像宇宙只有当前年龄的7%时一样,红移达到了6.2。此前我们在如此遥远的距离上看到的最小天体,还是早期星系中的星团。

“起初我们几乎无法相信,它比之前最远、最高红移的恒星还要远得多。”美国约翰斯·霍普金斯大学(JohnsHopkinsUniversity)的天文学家布雷恩·韦尔奇(BrianWelch)说道。这一最新发现发表在3月30日的《自然》(Nature)杂志上,韦尔奇是论文的第一作者,共同作者丹·科(DanCoe)来自同样位于美国巴尔的摩的空间望远镜科学研究所(SpaceTelescopeScienceInstitute,STScI),新发现是基于丹·科领导的哈勃再电离透镜星系团巡天(ReionizationLensingClusterSurvey,RELICS)项目的数据完成的。

“通常而言,在这样的距离上,整个星系看起来像一个小而暗淡的模糊的点,来自数百万颗恒星的光都混合在了一起。”韦尔奇说,“这颗恒星所在的星系被引力透镜放大并扭曲成了长长的新月形,我们将其命名为‘日出弧’(SunriseArc)。”

在详细研究了这一星系后,韦尔奇确定图中有一个特征是一颗被显著放大的恒星,他称之为“埃兰迪尔”(Earendel),这个词在古英语中意为“晨星”或“旭日之光”。这一发现有望开启一个非常早期的恒星形成的未知时代。

这张详细的视图突出了“埃兰迪尔”恒星在一道时空涟漪(虚线)上的位置,该涟漪对它进行了放大,让科学家能够在如此远的距离(红移6.2,共动距离亿光年)上探测到它。图中还显示了在放大线两侧的镜像星团。这种扭曲和放大是由位于哈勃和“埃兰迪尔”之间的巨大质量星系团造成的。这片星系团的质量如此之大,以至于它扭曲了空间的结构,透过那片空间观测天体就像透过放大镜看东西一样,另一头的天体会被扭曲并放大。

图片来源:科学部分:NASA、欧洲航天局(ESA)、约翰斯·霍普金斯大学布雷恩·韦尔奇、空间望远镜科学研究所丹·科;图像处理:NASA、欧洲航天局、空间望远镜科学研究所阿莉莎·帕甘(AlyssaPagan)

“‘埃兰迪尔’存在于很久以前,它的‘原材料’可能不同于如今我们周围的恒星,”韦尔奇解释说,“对‘埃兰迪尔’的研究将是我们通往不熟知宇宙时代的一扇窗,正是这一时代造就了我们如今所熟知的一切。就像我们一直在阅读一本非常有趣的书,但以前是从第二章开始读,现在我们将有机会看到这一切是如何开始的。”

当恒星对齐在一条线上

研究团队估计,“埃兰迪尔”的质量至少是太阳质量的50倍,亮度则是太阳的数百万倍,与已知的最大质量恒星不相上下。但是,如果没有位于我们和“埃兰迪尔”之间的巨大星系团WHL-08的自然放大作用,即使是如此明亮、质量非常之大的恒星,我们也很难在这么遥远的距离上观测到。星系团的巨大质量扭曲了空间结构,形成了强大的自然放大镜,显著地放大了来自其后方遥远天体的光线。

由于与产生放大效应的星系团罕见地对齐在了一条线上,“埃兰迪尔”直接出现在或非常接近于空间结构的涟漪上,这种涟漪在光学中被定义为焦散线(caustic),可以提供最大的放大倍率和亮度增强。这种效果类似于游泳池起伏波动的水面,在阳光明媚的日子里,阳光透过水面在池底形成明亮的光线图案,水面的涟漪充当了透镜,将阳光聚焦到了泳池底部形成最大的亮度。

这种焦散线导致“埃兰迪尔”从它所在星系的整体辉光中突显出来,亮度被放大了一千倍或者更多。目前,天文学家还无法确定“埃兰迪尔”是否是一个双星系统,尽管大多数大质量恒星至少都有一颗较小的伴星。

让韦布来确认

天文学家预计,未来几年内“埃兰迪尔”仍将被高度放大,NASA的詹姆斯·韦布空间望远镜(JamesWebbSpaceTelescope)将对它进行更近一步的观测。韦布对红外光的高灵敏度正是了解“埃兰迪尔”更多相关信息所需要的,因为在宇宙膨胀之下,它的光被拉伸(红移)到了更长的红外波段。

“通过韦布,我们希望确认‘埃兰迪尔’确实是一颗恒星,同时对它的亮度和温度进行测量。”丹·科说道。这些细节将有助于研究人员确认它的类型和所处的恒星生命周期中的阶段。“我们还期望发现‘日出弧’星系缺乏在随后几代恒星中形成的重元素,这将表明‘埃兰迪尔’是一颗罕见的、大质量的贫金属恒星。”丹·科补充道。

“埃兰迪尔”的成分将引起天文学家的极大兴趣,因为它是在宇宙被历代大质量恒星产生的重元素充满之前形成的,如果后续的研究发现它仅由原始的氢和氦组成,那么“埃兰迪尔”将是传说中的星族III(PopulationIII)恒星的第一个证据,这类恒星被认为是大爆炸后宇宙中诞生的第一代恒星。虽然可能性很小,但韦尔奇表示这样的期待仍然令人振奋。

“有了韦布,我们可能会看到比‘埃兰迪尔’更远的恒星,这将是非常令人兴奋的,”韦尔奇说,“我们会尽量往前回溯,我很想看到韦布打破‘埃兰迪尔’的恒星最远距离纪录。”

视频来源:NASA戈达德航天中心

首席制作人:保罗·莫里斯(PaulMorris)

字幕制作审校:哇喳傅煜铭

哈勃空间望远镜是NASA和欧洲航天局之间的国际合作项目,由位于美国马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德航天中心(GoddardSpaceFlightCenter)负责管理,位于美国马里兰州巴尔的摩的空间望远镜科学研究所(STScI)负责开展哈勃的科学业务,STScI由位于美国华盛顿特区的大学天文学研究协会(AssociationofUniversitiesforResearchinAstronomy)负责为NASA运营。

(翻译:哇喳审核:傅煜铭)

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