NASA韦伯望远镜将回顾过去并利用类星体解开早期宇宙的秘密

他们将研究在这些早期时期类星体在星系演化中起什么作用。该团队还将利用类星体来研究宇宙初期星系间空间中的气体。只有借助韦伯对低能级光的极度敏感和极佳的角度分辨率才有可能实现。

类星体是非常明亮、遥远、活跃的超大质量黑洞，质量是太阳的数百万到数十亿倍。它们通常位于星系的中心，以下落的物质为食并释放出奇妙的辐射洪流。在宇宙中最明亮的物体中，类星体的光比它所在星系的所有恒星的光都要亮，它的喷流和风塑造了它所在的星系。

在今年晚些时候发射后不久，一组科学家将训练NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜探测6个最遥远、最明亮的类星体。他们将研究这些类星体及其宿主星系的特性以及它们在非常早期的宇宙中星系演化的最初阶段是如何相互联系的。研究小组还将利用类星体来检测星系间空间中的气体，尤其是在宇宙再电离时期，宇宙再电离在宇宙非常年轻的时候就结束了。他们将利用韦伯对微光的极度敏感和极佳的角度分辨率来完成这一任务。

韦伯望远镜：访问年轻的宇宙

当韦伯深入宇宙时，它实际上会回顾过去。来自这些遥远类星体的光在宇宙还很年轻的时候就开始了它的韦伯之旅并花费了数十亿年才到达。我们将看到的是很久以前的事情，而不是今天的事情。

“我们正在研究的所有类星体都存在于很早的时候，那时宇宙的年龄还不到8亿年，不到现在年龄的6%。所以这些观测给了我们机会来研究星系演化和超大质量黑洞在这些非常早期的时期的形成和演化，”团队成员Santiago Arribas说道。他是西班牙马德里天体生物学中心天体物理系的研究教授，同时还是韦伯近红外光谱仪(NIRSpec)仪器科学团队的成员。

来自这些非常遥远的物体的光已经被空间的膨胀所拉伸。这就是所谓的宇宙红移。光传播得越远，红移就越多。事实上，宇宙早期发出的可见光被剧烈拉伸，以至于当它到达我们这里时被移到了红外线中。有了这套红外线调谐仪器后，韦伯非常适合研究这种光。

研究类星体、它们的宿主星系和环境及它们强大的外流

该小组将研究的类星体不仅是宇宙中最遥远的并且还是最明亮的。这些类星体通常拥有最高的黑洞质量，它们也有最高的吸积率--物质落入黑洞的速率。

“我们感兴趣的是观察最明亮的类星体，因为它们在其核心产生的大量能量应该会通过类星体外流和加热等机制对宿主星系产生最大的影响，”加拿大国家研究委员会(NRC)赫兹伯格天文和天体物理研究中心的研究科学家Chris Willott说道，“我们希望观察这些类星体对其宿主星系产生最大影响的时刻。”另外，Willott还是加拿大航天局韦伯项目的科学家。

当物质被超大质量黑洞吸积时大量的能量被释放出来。这种能量加热并将周围的气体向外推、产生强大的气流进而对宿主星系造成严重破坏。

外流在星系演化中起着重要的作用。气体是恒星形成的燃料，所以当气体由于流出而被移除时，恒星形成的速度就会降低。在某些情况下，外流是如此强大，排出了如此大量的气体，它们可以完全停止恒星在宿主星系内的形成。科学家们还认为外流是气体、尘埃和元素在星系内远距离重新分布的主要机制，甚至可以被驱逐到星系间的空间——星系间的介质。这可能会引起宿主星系和星系间介质性质的根本变化。

在电离时代的星际空间性质研究

130多亿年前，宇宙还很年轻，视野还很模糊。星系之间的中性气体使得宇宙对某些类型的光不透明。经过数亿年的时间，星系间介质中的中性气体开始带电或电离，进而使其对紫外线透明。这一时期被称为再电离时期。但是什么导致了再电离、创造了今天在宇宙的大部分地方都能检测到的“清晰”条件呢？韦伯将深入太空、收集更多关于宇宙历史上这一重大转变的信息。这些观测将帮助我们了解再电离时代，这是天体物理学的关键前沿之一。

该小组将使用类星体作为背景光源来研究我们和类星体之间的气体。这些气体吸收了类星体特定波长的光。通过一种叫做成像光谱学的技术，他们将在中间气体中寻找吸收线。类星体越亮，光谱中的吸收线特征就越强。通过确定气体是中性的还是电离的，科学家将了解宇宙的中性程度以及在那个特定的时间点发生了多少这种再电离过程。

“如果你想研究宇宙，你需要非常明亮的背景源。类星体是遥远宇宙中最完美的物体，因为它足够亮，我们可以很清楚地看到它，”团队成员卡米拉·Pacifici说，她隶属于加拿大航天局，但在巴尔的摩的空间望远镜科学研究所担任仪器科学家。“我们想研究早期的宇宙，因为宇宙是进化的，我们想知道它是如何开始的。”

该团队将利用NIRSpec分析来自类星体的光、寻找天文学家所说的“金属”即比氢和氦重的元素。这些元素是在第一代恒星和第一代星系中形成的并被流出物排出。气体离开了星系，然后进入了星系间的介质中。该团队计划测量这些第一批“金属”的产生以及它们被这些早期流出物推入星系间介质的方式。

韦伯望远镜的力量

韦伯望远镜是一种非常灵敏的望远镜，能够探测到非常低的光线。这很重要，因为尽管类星体本质上非常明亮，但这个团队将要观测的是宇宙中最遥远的物体之一。事实上，它们是如此遥远，以至于韦伯接收到的信号非常非常低。只有借助韦伯的敏锐触觉，这门科学才能得以完成。韦伯还提供了极佳的角度分辨率，从而使它能将类星体的光从它的宿主星系中分离出来。

这里描述的类星体程序是保证时间的观测涉及到NIRSpec的光谱能力。

詹姆斯·韦伯太空望远镜将于2021年发射，届时它将成为世界上最重要的空间科学天文台。韦伯将解决太阳系中的谜团、探索其他恒星周围的遥远世界、探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。韦伯是一个国际项目，由NASA及其合作伙伴ESA和加拿大航天局领导。