用太空望远镜测量星系的距离

詹姆斯·韦伯太空望远镜的科学目标之一是了解早期宇宙中的星系如何形成并演化成更大的星系，例如我们的银河系。这个目标要求我们识别宇宙历史上不同时刻的星系样本，以探索它们的属性如何随时间演变。

我们请德克萨斯大学奥斯汀分校的博士后MicaelaBagley解释天文学家如何分析来自遥远星系的光，并确定我们在“宇宙历史上的何时”观测它们。

“光在太空中传播需要时间。当来自遥远星系(或太空中任何物体)的光到达我们时，我们看到的就是该星系过去的样子。为了确定过去的‘时间’，我们使用星系的红移。

“红移告诉我们，当光到达我们身边时，由于宇宙的膨胀，光被拉伸到更长的波长需要多长时间。我们可以使用星系光谱中的特征来计算红移，这是一种将光从按波长确定目标，本质上以非常小的间隔对光进行采样。我们可以测量发射线和光谱中断(特定波长下光强度的突然变化)，并将观察到的波长与已知的发射波长进行比较。

“识别星系最有效的方法之一是通过成像，例如使用天文台的NIRCam(近红外相机)仪器。我们使用多个滤光片来收集物体多种不同颜色的光来拍摄图像。当我们测量星系的光度时，或者图像中的亮度，我们正在测量滤光片传输的整个波长范围内物体的平均亮度。我们可以使用NIRCam的宽带成像滤光片观察星系，但有很多详细信息波长覆盖范围内每0.3–1.0微米都隐藏在每次测量中。

“然而，我们可以开始限制星系光谱的形状。光谱的形状受到几个属性的影响，包括星系中正在形成的恒星数量、星系中存在多少尘埃，以及星系的光发生红移的程度。我们将每个滤波器中测量到的星系亮度与一组星系模型的预测亮度进行比较，这些模型涵盖了一系列红移范围内的这些属性。根据模型与数据的拟合程度，我们可以确定星系正处于给定的红移或“历史时刻”。通过此分析确定的最佳拟合红移称为光度红移。

“2022年7月，团队使用CEERS巡天的NIRCam图像识别出了两个光度红移大于11的星系(当时宇宙的年龄不到4.2亿年)。美国宇航局的哈勃太空望远镜在这次观测中都没有检测到这两个物体。场，因为它们要么太微弱，要么只能在哈勃灵敏度之外的波长处检测到。这些都是新望远镜的非常令人兴奋的发现。

“然而，星系的光度红移有些不确定。例如，我们也许能够确定滤光片中是否存在光谱断裂，但不能确定断裂的精确波长。虽然我们可以估计基于最佳拟合的红移在对光度测量进行建模时，所得的概率分布通常很宽。

“此外，不同红移的星系在宽带滤光片中可能具有相似的颜色，因此仅根据光度测定很难区分它们的红移。例如，红移小于5的红色尘埃星系(或者宇宙年龄为11亿年或我们星系中较老的恒星和冷恒星有时可以模仿高红移星系的相同颜色。因此，我们认为所有根据光度红移选择的星系都是高红移候选星系，直到我们获得更精确的红移。

“我们可以通过获得光谱来确定星系的更精确的红移。如下图所示，当我们以更精细的波长步长测量星系的光度时，我们对红移概率分布的计算会得到改善。概率分布变窄为我们从使用宽带滤光片进行成像(顶部)转向使用大量较窄的滤光片(中间)，再到光谱(底部)。在底行中，我们可以开始关闭特定功能，例如最左侧的光谱中断和发射线以获得非常精确的红移概率分布——光谱红移。

“2023年2月，CEERS团队使用天文台的NIRSpec(近红外光谱仪)仪器跟踪高红移候选者，以测量精确的光谱红移。其中一个候选者(麦西星系)已被确认处于红移11.4(当宇宙年龄为3.9亿年)，而第二个候选者被发现实际上处于较低的红移4.9(当时宇宙年龄为12亿年)。

“即使我们发现高红移候选星系实际上是低红移星系的情况也可能非常令人兴奋。它们使我们能够更多地了解星系中的条件以及这些条件影响其光度测量的方式，以改进我们的星系光谱模型，并限制所有红移的星系演化。然而，他们也强调需要获得光谱来确认高红移候选者。