来自美国宇航局詹姆斯韦伯太空望远镜的两张新图像显示了可能是有史以来最早观察到的星系之一。两张图片都包含超过 130 亿年前的物体，其中一张提供了比韦伯的第一张深场图像更广阔的视野，该图像于 7 月 12 日在大张旗鼓的情况下发布。这些图像代表了第一次重大合作中的一些天文学家和其他学术研究人员与 NASA 和全球合作伙伴合作，以发现有关宇宙的新见解。
该团队已经确定了一个特别令人兴奋的物体——为了纪念项目负责人史蒂文芬克尔斯坦的女儿而被称为麦西星系——他们估计在大爆炸后仅 2.9 亿年就可以观察到它（天文学家将此称为 z=14 的红移）。
该发现已在预印本服务器 arXiv 上发表，正在等待在同行评审期刊上发表。如果这一发现得到证实，它将成为有史以来观测到的最早的星系之一，它的存在将表明星系的形成时间比许多天文学家以前认为的要早得多。
“通过韦伯，我们正在观察我们以前从未见过的宇宙的一部分，即使是哈勃，”作为访问研究学者在熨斗研究所计算天体物理中心 (CCA) 从事该项目的 LY Aaron Yung 说）在纽约市和美国宇航局戈达德太空飞行中心的博士后研究员。 “这样的早期星系改变了我们对星系形成方式和宇宙历史的理解。”
这张图片是由詹姆斯韦伯太空望远镜上的近红外相机 (NIRCam) 拍摄的 690 个单独帧组成的马赛克 – 覆盖的天空区域大约是韦伯 7 月 12 日发布的第一张深场图像的八倍。插图显示有史以来最早的星系之一的特写镜头，被称为麦西星系。图片来源：NASA/STScI/CEERS/TACC/S。芬克尔斯坦/M.巴格利/Z。莱维前所未有的清晰图像揭示了一系列复杂的星系随着时间的推移而演变——一些优雅成熟的风车，一些胖乎乎的蹒跚学步的孩子，还有一些薄薄的漩涡状的做事邻居。这些图像需要大约 24 小时才能收集，它们来自北斗七星手柄附近的一片天空，北斗七星是一个正式命名为大熊座的星座。哈勃太空望远镜之前曾观测到同样的天空区域，如在加长格罗斯带中所见。
德克萨斯大学天文学副教授芬克尔斯坦 ( Finkelstein ) 说：“在这些新的詹姆斯·韦伯 (James Webb) 图像中，哈勃的一个光点变成了一个完整的、形状优美的星系，而其他星系突然冒出来，这真是太神奇了。” Austin 和宇宙演化早期释放科学调查(CEERS) 的首席研究员，这些图像是从中拍摄的。
CEERS 合作由来自 12 个机构的 18 名共同研究人员和来自美国和其他 9 个国家的 100 多名合作者组成。 CEERS 的研究人员正在研究一些最早的星系是如何形成的，当时宇宙的年龄还不到当前年龄的 5%，也就是被称为再电离的时期。
访问詹姆斯韦伯望远镜的时间段非常宝贵，因此该团队需要找出最佳策略，从宇宙初期寻找前所未见的星系。例如，将他们的观察长期集中在一小片天空上以希望发现一个微弱的星系，或者撒下更大的网以增加他们发现某些东西的机会，这是否会更好。
这些决定是基于 Yung 和 CEERS 联合研究员 Rachel Somerville 创建的宇宙模拟做出的，后者是 CCA 星系形成小组的负责人。他们的模拟使用了相同的物理过程，这些物理过程负责将最近的星系应用于年轻宇宙的条件。因此，他们的模拟对于确定 CEERS 将寻求的最早星系的稀有性、亮度和其他特性非常宝贵。 Yung、Somerville 和他们的同事在最近的一系列论文中展示了他们的模拟。
用于指导 CEERS 观测的模拟宇宙的侧视图。点代表星系，更大和更暗的数据点表示质量更大的星系。为了减少杂波，只显示了模拟星系的四分之一。图片来源：Yung等人。 / 2022 年皇家天文学会月报在获得实际望远镜数据之前，UT Austin 的博士后研究员和 CEERS 成像负责人之一 Micaela Bagley 根据 Yung 和 Somerville 的模拟创建了模拟图像，以帮助团队开发处理和分析新图像的方法。 Bagley 带领一个小组处理真实图像，以便整个团队可以分析数据。
大图像是由 690 个单独的帧组成的马赛克，使用望远镜的主成像仪（称为近红外相机 (NIRCam)）大约需要 24 小时才能收集到。这张新图像覆盖的天空区域大约是韦伯第一幅深空图像的八倍，尽管它没有那么深。研究人员使用德克萨斯高级计算中心的超级计算机进行初始图像处理：Stampede2 用于去除背景噪声和伪影，世界上最强大的大学超级计算机 Frontera 用于将图像拼接在一起形成一个单一的马赛克。
“高性能计算能力使组合无数图像并立即将帧保存在内存中进行处理成为可能，从而产生一个美丽的图像，”Finkelstein 说。
另一张图像是用中红外仪器 (MIRI) 拍摄的。与 NIRcam 相比，MIRI 的视场更小，但比以前的中红外望远镜具有更高的空间分辨率。 MIRI 探测到比 NIRCam 更长的波长，使天文学家能够在中等远的距离看到来自恒星形成星系和黑洞的宇宙尘埃，并在非常远的距离看到来自较老恒星的光。
整个 CEERS 计划将涉及 60 多个小时的望远镜时间。 12 月将收集更多的成像数据，以及对数百个遥远星系的光谱测量。
随着对早期星系的新观测，包括 Yung 和 Somerville 在内的理论家将使用模拟来提取有关塑造星系演化的物理过程的信息，并为未来的观测做出预测。
“我们仍然不明白的一点是，它们是如何形成如此之快的，”Yung 说。 “它们距离大爆炸只有几亿年，但据我们所知，星系的形成需要更长的时间。事实上，我们很早就看到了如此多的星系，而数据如此之少，那么外面的星系可能比我们预测的要多得多。”
美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜是与 ESA（欧洲航天局）和 CSA（加拿大航天局）的合作伙伴。 CEERS 的其他共同研究者是空间望远镜科学研究所的 Henry Ferguson、Norman Grogin、Anton Koekemoer、Nor Pirzkal 和 Swar Ravindranath； NSF NOIRLab 的 Mark Dickinson； INAF 的 Andrea Grazian – Osservatorio Astronomico di Padova；罗彻斯特理工学院的 Jeyhan Kartaltepe；哈佛-史密森天体物理中心的丽莎·科利；科尔比学院的戴尔·科切夫斯基；双子座天文台的詹妮弗·洛茨；德克萨斯 A&M 大学的 Casey Papovich； Laura Pentericci，INAF – Osservatorio Astronomico di Roma；天体生物学中心的 Pablo G. Pérez-González；熨斗研究所的雷切尔·萨默维尔；康涅狄格大学的乔纳森·特朗普；和苏塞克斯大学的斯蒂芬威尔金斯。
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