哈勃首次进行宇宙黎明时期的星系普查

2012.12.12：借助美国宇航局（NASA）和欧洲空间局（ESA）合作的哈勃太空望远镜，天文学家已经发现了7个先前从未见过的最原始星系，它们形成于130亿年前，那时的宇宙年龄还不到现在的3%。这个最深远的图像首次统计了在接近星系最初形成时代，健壮星系的样本丰富程度。研究结果显示，在宇宙大爆炸后4.5亿年以来，随着我们回溯的时间更早，原始星系数量平滑地减少。观测支持此观点：在大爆炸后的数亿年，星系持续形成，并可能提供足够辐射重新加热（或再电离）整个宇宙。对NASA下一代的詹姆斯?韦伯太空望远镜（JWST）而言，这一先行观测为JWST探测该纪元开辟了道路。我们观测得越远，也就意味着回溯到越早。宇宙迄今已137亿年，而新发现的星系存在于宇宙大爆炸后3.5亿～6亿年，它们的光现在刚刚抵达地球。

公众可参与“首次统计逼近宇宙黎明时期的星系数量”的在线会议，会议将在美国东部时间2012.12.14周五的13:00开始。会上哈勃超级深空场2012（UDF2012）团队的关键天文学家将介绍他们是如何获得这些图像的，并解释它告诉了我们关于极早期宇宙中星系形成方面的什么知识。会议参与者可向专家组提问、共同讨论。会议网址：HubbleSite Channel on Youtube（需要翻墙）、Hubble Space Telescope Google+ page（同样需要）。

哈勃WFC3红外波段拍摄的超级深空场以及发现的7个超遥远星系在图像中的位置，大图下载：4.5MB，版权：NASA，ESA；STScI，原作者，下同。

借助美国宇航局（NASA）和欧洲空间局（ESA）合作的哈勃太空望远镜，天文学家已经发现了7个先前从未见过的最原始星系，它们形成于130亿年前，那时的宇宙年龄还不到现在的3%。这个最深远的图像首次统计了在接近星系最初形成时代，健壮星系样本的丰富程度。

研究结果显示，在宇宙大爆炸后4.5亿年以来，随着我们回溯的时间更早，原始星系数量平滑地减少。观测支持此观点：在大爆炸后的数亿年，星系持续形成，并可能提供足够辐射重新加热（或再电离）整个宇宙。

这一先行观测为NASA下一代的詹姆斯?韦伯太空望远镜（JWST）探测该纪元开辟了道路。我们观测得越远，也就意味着回溯到越早。宇宙迄今已137亿年，而新发现的星系存在于宇宙大爆炸后3.5亿～6亿年，它们的光现在刚刚抵达地球。

哈勃超级红外深空场2012版图像，请注意配色情况。大图下载：43MB。

研究者介绍说，哈勃图像的超级深度与仔细设计的巡天方略相结合，使本次研究比先前的观测看得更远，并提供了对该时代的可靠统计。尤其是其中的一个星系很可能打破距离记录，它存在于宇宙大爆炸后约3.8亿年，对应的红移达11.9。

该研究结果来自著名的雄心勃勃的哈勃巡天项目——集中观测一小块天区的哈勃超级深空场（HUDF）。

2012年的新战役由加利福利亚周帕萨迪纳市加州理工学院的理查德?埃利斯（Richard Ellis）领衔，该天文学家团队（UDF2012）使用哈勃第三代广域相机（WFC3）的近红外通道，观测了比所有先前更深入的深空。观测在今年8、9月前持续了六周，第一批科学成果现已刊登在一系列科学期刊上。在为其他研究小组准备好材料后，UDF2012团队将公开这批独有的数据。

天文学家之所以要用近红外波段研究遥远宇宙，是因为宇宙膨胀，使得星系发出的紫外光和可见光拉伸到红外波段——红移。星系越远，红移越大。

新项目的一个重要目标是确定早期宇宙中星系随时间快速增加的数值。这一测量是确定星系中形成其恒星居民速率的关键证据。

哈勃观测到的7个遥远星系候选者中，最遥远的（上）和相对最近者的红外单色图像。

Ellis解释说：“我们通过两条途径把目标课题向前推进。首先，我们让哈勃总曝光时间比以前的更长。增加曝光深度对调查宇宙的早期历史起着至关重要的作用。其次，我们非常有效地利用哈勃的各个光波滤镜，以精确测量星系距离。”

通过精确组合近红外波段的4个滤镜，团队通过研究星系的“颜色”以估算其距离。团队成员、英国爱丁堡大学天文学院的詹姆斯?邓禄普（James Dunlop）解说道：“通过添加附加滤镜，以及在某些波段进行比先前观测长得多的曝光，我们排除了那些天体可能是前景（暗红外）星系的可能。”

邓禄普解释说，当星系的光红移到红外波段时，该星系最初发出的所有可见光和大部分红外光都被星际气体（主要是氢）吸收了，因此该星系在哈勃的大部分滤镜中都无法看见，只能在哈勃最长波段的滤镜（1.4、1.6微米的近红外光）中看见，这是发现最早期星系的关键。

PDF插图，显示不同波段下的那些最遥远星系的图像。最左边是ACS进行的可见光巡天（分辨率最高），右边依次是WFC3的红外波段在1.05、1.25、1.40、1.60微米进行的观测。红移越大的星系，越只能在最长的波段看见。

UDF 2012项目的成果意味着深空中还有许多现在未发现的星系等着未来的JWST来发现。团队成员Anton Koekemoer提醒道：“黑虽然我们已经可能回溯到哈勃的能力极限，但是从某种意义上而言，哈勃就是为JWST探路、打基础的。我们的工作表明，也许还存在丰富的更早期星系让JWST来探索。”Anton属于马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科研所，主管哈勃观测成果和图像拼合。

长久以来，天文学家一直在争论早期星系中的炽热恒星能否提供足够的辐射加热宇宙大爆炸后不久形成的冷氢气。这个过程称为“再电离”，被认为发生在我们宇宙诞生后2亿年～10亿年的时段。这个过程让宇宙变得对（紫外）光透明，使天文学家能够回溯过往的时间。新研究中发现的星系就是这个早期纪元的。

图森市亚利桑那大学的布兰特?罗伯森（Brant Robertson）总结说：“通过观测大爆炸的余辉——背景微波辐射，告诉我们再电离发生在大约130亿年前。我们的数据确认那是一个持续数亿年的冗长过程，期间星系慢慢累积它们的恒星和化学元素。星系诞生并不是一个单独的戏剧化事件，它是一个渐进的过程。”

对早期遥远星系进行统计的研究报告已经被《天体物理学》期刊接受。

超级深空场在天空的位置，以及对比的满月大小。