詹姆斯韋伯太空望遠鏡觀測遙遠星系，比其他望遠鏡效果好 5~10 倍

國際科學家團隊新研究發現，詹姆斯韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）使用近紅外相機（NIRCam）觀測數據，將使天文學家更精確掌握早期星系資料，科學家從 JWST 觀測的遙遠星系，獲得比以前更多資訊，代表 JWST 將使我們對宇宙最古老星系的成長和演化進一步理解。

恆星質量是了解星系形成和演化的最重要的物理特性之一。因為星系恆星的總量，將隨這星系新恆星持續形成而增加，將是追蹤星系成長最直接的方式。觀測宇宙最古老星系（超過130億光年），有助了解星系如何演化。

以往想要準確觀測這些古老星系，天文學家一直面臨困擾。通常天文學家測量星系質光比（M/L），利用星系產生的光估計恆星總質量，而不是逐顆計算恆星質量。哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope，HST）對最遙遠星系（約135億年前形成的GN-z11）研究僅限紫外光（UV）光譜。

遙遠古老星系的光達到地球時經歷顯著紅移，當光穿越時空，因宇宙膨脹，光波將變長，移向光譜的紅色端。對於紅移值（z）為7或更高的星系（距離13.46光年或更遠），大部分光將轉移到光譜紅外光部分。如Z=7星系，最初以0.6微米波長發出的光，最終以4.8微米波長到達地球望遠鏡，紅移值越高（星系越遠），這種效應越強。

這意味需要紅外光望遠鏡測量星系質量，因HST無法觀測大部分遙遠星系的光，JWST上工前，科學家用的紅外光望遠鏡是史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope，SST），但SST於2020年1月30日除役。不過SST的85公分主鏡還是無法與JWST的6.5公尺主鏡媲美，由於SST有限的靈敏度和角解析度，大多數遙遠星系SST無法檢測。

▲ 將物體發出的光與觀察到的紅移光比較光譜示意圖。隨著宇宙膨脹，會將光延伸到較低頻率或光譜紅色部分。（Source：NASA / ESA / C. Christian / Z. Levay (STScI)）

此外，以前觀測可能會錯過很多紅色星系，這些星系富含灰塵（遮蔽光線），紫外光譜極微弱。科學家認為對早期宇宙的恆星質量密度估計可能相差高達六倍，而JWST紅外儀器套件及高靈敏度，將為未來研究宇宙最古老和微弱星系，打開新的窗。

JWST發射前常觀測恆星質量的方法，為透過假設平均質量與紫外光比，將紫外光（HST測量值）轉換為恆星質量估計。質光比關係是用少數且不確定的測量值校準，只能代表較容易觀察到的星系（年輕、無塵埃的星系）成員。先前恆星質量測量值容易產生很大誤差。

科學家透過JWST近紅外相機觀測資料，針對21個星系的紫外光及紅移可見光（紅移範圍6.7~12.3）觀測質量，可避免以往大量假設的不確定性，並將質量測量準確性提高5~10倍。

使用JWST的NIRCam最藍波段測量恆星紫外光，並比較質光，發現質光比不能用單一平均值代表，值約跨越兩個數量級。從物理角度看，這發現代表早期星系的的種類有很大異質性，星系表現出各式各樣的物理特性。

JWST卓越的觀測能力，對星系恆星質量有更嚴格的評估能力，有利科學家最大範圍研究宇宙學。科學家認為先前星系質量增長過程的認知，可能會受重要系統學影響，評估影響宇宙恆星質量密度的系統不確定性的程度。近來將宇宙星系增長描述為時間函數，早期估計模式不同個案間差異很大。科學家發現標準質光比假設，導致系統不確定性可能高達數倍，與精確觀測需達成的值相差太大。研究發表於arXiv。

目前為止，JWST捕捉到最清晰、最詳細的宇宙圖像，並展現光學能力，這些圖像已有許多新發現。針對宇宙古老星系如何演化，以及暗物質和暗能量扮演的角色發揮重要作用。