有史以来最大宇宙地图显示，早期星系数量比预期多10倍
近日，跨国科学合作项目COSMOS发布了有史以来最大宇宙地图及其背后数据。该地图名为COSMOS-Web，是利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）收集的数据构建而成，包含了跨越几乎整个宇宙时间的全部成像数据以及一个包含近80万个星系的目录。这些数据挑战了关于婴儿期宇宙的现有观念。相关论文已提交《天体物理学杂志》和《天文学与天体物理学》。
6张来自近80万个星系的图像，从左上到右下：现今的宇宙，以及30亿年前、40亿年前、80亿年前、90亿年前和100亿年前。图片来源：M. Franco/C. Casey/COSMOS-Web collaboration
美国加州大学圣塔芭芭拉分校物理学教授Caitlin Casey与美国罗切斯特理工学院的Jeyhan Kartaltepe共同领导了COSMOS-Web项目。Casey 说：“如果把哈勃超深空场图像打印在一张标准纸上，按同样比例，COSMOS-Web图像将比一幅13英尺乘13英尺宽的壁画还要稍大一些，并且深度相同。所以它确实大得惊人。”哈勃超深场指的是美国国家航空航天局（NASA）在2004年发布的包含近1万个星系的标志性视图。
COSMOS-Web可以回溯约135亿年前。根据NASA的数据，宇宙大约有138亿年历史，误差在1亿年左右，覆盖了大约98%的宇宙时间。研究人员的目标不仅是看到时间起点处一些最有趣的星系，还要看到早期宇宙中存在的更广阔的宇宙环境景象，即第一批恒星、星系和黑洞形成时期的景象。
Casey说，在JWST启用之前，她和同事根据其直径6.5米（21英尺）的主集光镜（比哈勃望远镜2.4米直径的镜面大约6倍）所能看到的星系数量做出了最佳预测。她说，来自JWST的最佳测量表明，宇宙最初5亿年内的星系将极其罕见。
“这很合理——大爆炸发生了，物质需要时间在引力作用下坍缩形成，恒星需要时间点亮。这有一个与之相关的时间尺度。”Casey解释说，“令人惊讶的是，用JWST，我们在这些难以置信的遥远距离上看到的星系数量大约是预期的10倍。我们还看到了用哈勃望远镜甚至看不到的超大质量黑洞。”Casey补充道，他们不仅看到了更多，还看到了不同类型的星系和黑洞。
虽然COSMOS-Web的图像和目录回答了许多天文学家关于早期宇宙的问题，但它们也引发了更多问题。
“自从望远镜启用以来，我们一直在想‘这些JWST数据集是否打破了宇宙学模型？’因为宇宙过早地产生了太多的光；它只有大约4亿年时间来形成大约10亿太阳质量的恒星。我们不知道这是如何实现的。”Casey说，“所以，有很多细节需要剖析，还有很多未解之谜。”
通过向公众发布这些数据，Casey希望世界各地的天文学家都能利用它，进一步完善对早期宇宙如何被填充以及万物如何演化至今的理解。该数据集还可能为宇宙的其他悬而未决的奥秘提供线索，例如暗物质以及早期宇宙物理学。
“这个项目的一个重要部分是科学的民主化，让更广泛的社区能够获取来自最好望远镜的工具和数据。”Casey说。这些数据在收集后几乎立即公开，但只是原始形式，仅对那些拥有专业技术知识和超级计算机访问权限以处理和解读它的人有用。COSMOS合作项目在过去两年里不知疲倦地工作，将原始数据转换为广泛可用的图像和目录。通过创建并发布这些产品，研究人员希望即使是天文学本科生也能深入研究这些材料并学到新东西。
对于COSMOS项目来说，探索仍在继续。“我们即将收集更多数据。”Casey说，“我们认为，我们已经识别出图像中最早的星系，但我们需要验证这一点。”为此，他们将使用光谱学（将来自星系的光分解成棱镜光谱）来确认这些源的距离，距离越远意味着年代越古老。
“我们将通过追踪氮、碳和氧来了解这些系统中的星际化学。未来还有很多东西需要学习，我们才刚刚触及表面。”Casey补充说。
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