圖片來源：http://glass.astro.ucla.edu/劃時代的詹姆斯·韋布空間望遠鏡已經(jīng)升空一年有余。作為現(xiàn)今最強大的近紅外空間望遠鏡，韋布在出發(fā)之前就選取了13個先導項目，“韋布的酒杯 ”—— GLASS-JWST項目就是其中之一。本期賽先生天文，項目核心成員、中國科學院大學王鑫為我們分享GLASS-JWST的前世今生以及它所揭示的星系團背后的故事。詹姆斯·韋布空間望遠鏡（下文簡稱JWST）是聯(lián)合了美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）三家之力，造價超過100億美元的空間旗艦項目。它于2021年12月25日在法屬圭亞那發(fā)射升空，經(jīng)過1個多月的航行，前往距離地球150萬公里的拉格朗日L2點進行科學觀測。依照NASA領銜的空間望遠鏡觀測項目慣例，每年至少一次公開向全球天文學家征集觀測項目。所提交的觀測項目會經(jīng)過層層淘汰，篩選出優(yōu)勝項目并被給予觀測時間。除了這種公開征集的General Observing一般觀測項目，JWST前幾個運行編排周期（Cycle）內，還存在Guaranteed Time Observation Programs（保證時間觀測項目）和Early Release Science （ERS） Programs（早期釋放科學項目），前者是獎勵在JWST建造過程中做出杰出貢獻的天文學家和相關團隊，后者則是在2017年由NASA下轄的空間望遠鏡研究所（Space Telescope Science Institute，簡稱STScI）向全世界天文學界征集的先導項目。最終，13個項目脫穎而出，成為被空間望遠鏡研究所所長特批的先導項目，在JWST升空1年內觀測完畢，其數(shù)據(jù)會即時公開，提供給全世界的天文學家進行科學分析。說白了，JWST這個量級的科學儀器，總要帶著些精挑細選的前置任務，而不是飛到目的地才開始安排。無縫光譜透鏡深場巡天（GLASS-JWST）先導項目就是這13個ERS項目的其中之一。筆者為該項目的核心成員，這個項目的前身是GLASS-HST項目。GLASS全稱為The Grism Lens-Amplified Survey from Space，中文名稱為無縫光譜透鏡深場巡天，是哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope, HST） 第21個運行編排周期（Cycle-21）內執(zhí)行的大型項目。該項目獲得了140個軌道周期的觀測，使用第三代寬視場照相機（Wide-Field Camera 3）上搭載的兩個近紅外無縫光譜儀（G102 與 G141）對10個星系團中心場進行了無縫光譜觀測。由于哈勃空間望遠鏡在低地軌道（Low Earth Orbit）運行，每個軌道周期在軌運行時間大約為90分鐘，其中科學曝光時間45分鐘。這140個軌道周期的觀測時間平均分配給10個星系團中心場，其中包括紅移0.308的Abell 2744星系團場（見圖1）。GLASS-HST項目產出了豐碩的科學成果，尤其在高效完善的無縫光譜分析軟件與高紅移星系光譜信息空間分辨分析等方面取得了劃時代的進展。借由該項目營造的巨大優(yōu)勢，筆者所在的團隊提出了使用JWST進一步進行深入無縫光譜與多目標狹縫光譜觀測的透鏡深場觀測申請，這一申請被順利批準成為GLASS-JWST項目。
圖1: GLASS-HST與GLASS-JWST的主要目標天區(qū)：Abell 2744 （紅移0.308） 星系團中心場。紅色和綠色方框代表了HST/WFC3的視場，分別對應兩個幾近正交的分光方向，如右上角的箭頭所示。圖片來源：參考文獻[1]JWST是一臺通用型空間望遠鏡，兼具從近紅外到中紅外波段的各種觀測模式，除了導星儀外，其光學平臺搭載了4個科學儀器，分別是：近紅外照相機（NIRCam）、近紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外成像和光譜儀（MIRI）和近紅外成像和光譜儀（NIRISS）。如圖2所示，這四個科學終端設備覆蓋了從近紅外到中紅外（0.6-28μm）的所有波長范圍，并提供了極為豐富的觀測模式，包括多目標狹縫光譜觀測（高、中、低波長分辨率）、積分場光譜儀（NIRSpec 高分辨率 和 MIRI 中分辨率）以及無縫光譜觀測（NIRISS 低分辨率 和 NIRCam 高分辨率）。
圖2：JWST的4個主要后端科學儀器的波長覆蓋和視場范圍。GLASS-JWST項目使用了其中3個后端儀器：NIRISS, NIRSpec 和 NIRCam。圖片來源：參考文獻[2]功能強大的科學儀器給科學家了解宇宙新的機遇，卻也提出了更高的要求：在窗口期極短的情況下，科學目標的制定、觀測源的篩選、觀測計劃的設計與推進……綜合起來，就是要在相對短的時間內，盡可能地觀測并得到重要信息。科學目標方面，對于性能部分重疊（波段覆蓋與觀測模式）的這四個儀器，如何科學高效地利用成為了科學家首先思考的問題：選擇哪些設備進行有針對性的觀測？高波長分辨率的狹縫光譜觀測空間延展源（例如高紅移星系）時，狹縫的固定0.2角秒寬度會帶來哪些光譜觀測的系統(tǒng)誤差？低波長分辨率的無縫光譜觀測所帶來的譜線交疊現(xiàn)象對星系物理參數(shù)的測量是否有影響？極高紅移星系的靜止波長光學波段的光譜和圖像包含哪些特征？這四個后端儀器與眾多的觀測模式需要盡快讓天文學界熟識，才能提出合理、高效的觀測項目，充分利用寶貴的觀測時間。基于JWST強大的觀測能力，它被期待在其相對短暫的運行時間里，解答高紅移星系形成與演化領域的一系列關鍵問題。而GLASS-JWST項目則主要致力于回答如下關鍵問題：1. 通過搜尋高紅移星系，探測其中的Lyman-alpha等譜線來限制宇宙再電離的時間線索，研究哪些天體主要推動了宇宙再電離（cosmic reionization）過程。宇宙再電離指的是在宇宙誕生10億年內，星系際介質中中性氫含量急劇降低的過程，這是宇宙最后一次經(jīng)歷的整體相變，其主要能量來源目前還在不斷探究過程中。2. 通過高精度金屬豐度空間分布作為探針，研究中高紅移星系中的恒星形成與反饋效應、氣體吸積與外流等物理過程在星系形成演化中起的作用，探索重子物質（氫、碳、氧、氮等元素）如何在中高紅移星系中的星際介質與星系際介質周邊循環(huán)。觀測源選取方面，將前文提到的Abell 2744星系團選作GALSS-JWST的觀測天區(qū)，科學家們也經(jīng)過了深思熟慮。首先，Abell 2744是六個哈勃望遠鏡透鏡超深場星系團之一（Hubble Frontier Fields）。在這個天區(qū)內，存在極深的高精度HST成像數(shù)據(jù)（每個星系團中心場投入近200軌曝光）與多波段觀測數(shù)據(jù)（包括Chandra X-射線觀測和ALMA亞毫米波觀測）。同時該天區(qū)也存在異常豐富的光譜觀測數(shù)據(jù)與紅移星表?？梢哉f，HST打下了很好的觀測基礎。其次，Abell 2744星系團具有極其精確的質量模型。星系團中心場相較于空白場對于河外星系巡天的優(yōu)勢在于引力透鏡效應：前景的大質量星系團可以作為天然望遠鏡，放大背景星系的觀測細節(jié)（達到亞千秒差距級別的極高角分辨率），并提升觀測對象的極限星等，使內稟更暗的源也能被探測到。但是，這一切的前提是這個前景引力場的性質能被很好地理解。通過使用精細的強和弱引力透鏡效應信號約束，Abell 2744的質量模型（包括可見物質和暗物質）已經(jīng)被很好的重構。 此外，由于JWST先導項目具備極高的時效性，需要在Cycle 1前幾個月結束觀測。而由于JWST的設計，可觀測天區(qū)窗口是有限的。在我們?yōu)閿?shù)不多的候選目標天區(qū)中，Abell 2744由于其比較低的銀河系塵埃消光脫穎而出，成為我們先導項目的主打觀測目標。科學目標、觀測源既定，觀測模式和規(guī)劃也必須行之有效。為了高效地實現(xiàn)科學目標，針對Abell 2744星系團中心場，GLASS-JWST項目組采取了以下觀測模式：1. 近紅外相機和無縫光譜儀（NIRISS）
采用3個波段（F115W、F150W和F200W）進行觀測，每個波段使用2個分光方向GR150C和GR150R（如圖3所示）。相較于HST，JWST/NIRISS儀器裝備了兩個正交色散的分光儀，這個舉措使我們不需要像GLASS-HST項目一樣間隔近半年的觀測時間、通過改變望遠鏡觀測的方位角來得到幾近正交的兩個分光方向。JWST/NIRISS通過轉動濾光輪，可以對同一天區(qū)獲得相互垂直色素的無縫光譜曝光，這對稠密星場的抽譜分析工作至關重要。
圖3：GLASS-JWST項目對Abell 2744星系團中心場的無縫光譜觀測。左上：三色偽彩圖展示了NIRISS探測器的視場。右上：截取的中間一部分NIRISS直接成像觀測。左下和右下分別對應該zoom-in的中間天區(qū)兩個正交色散方向得到的無縫光譜觀測數(shù)據(jù)。圖片來源：參考文獻[3]選取3個波段 （F100LP、F170LP和F290LP） 分別對應3個分光儀 （G140H、G235H和G395H），進行高波長分辨率（R~2700）的光譜觀測。JWST NIRSpec儀器首次帶來了空間多目標高分辨率狹縫光譜觀測模式，該設備通過精密排布總數(shù)為近25萬個小快門來實現(xiàn)針對特定空間位置源的觀測。在進行星系團中心場光譜觀測的同時，我們還采用平行場協(xié)同觀測的模式（Coordinated Parallels）對距離目標中心近7角分處的天區(qū)進行深度多色成像觀測。共采用6個波段觀測 （F115W、F150W、F200W、F277W、F356W和F444W），幾乎涵蓋了NIRCam儀器所有最為靈敏的寬帶濾光片。GLASS-JWST項目運行5個月以來在高紅移星系搜尋、特殊星系物理性質研究、高放大率恒星證認、高紅移星系尺度-光度關系、低質量空間可分解星系金屬豐度研究、高紅移星系恒星形成歷史研究、低質量寧靜星系光譜證認等領域獲得了一系列成果。筆者在這里簡單介紹一下其中的三個方面：1. 極高紅移星系候選體的發(fā)現(xiàn)
科研人員通過分析GLASS-JWST項目平行場NIRCam的多色成像數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了2個超高紅移星系（紅移12.5和10.5）。通過不同的分析方法殊途同歸地發(fā)現(xiàn)了GLASS-z12和GLASS-z10這兩個極高紅移星系候選體（如圖4所示）。
圖4：GLASS-JWST項目發(fā)現(xiàn)的兩個極高紅移星系候選體。圖片來源：參考文獻[4]
通過形態(tài)與光譜能量分布信息的分析表明，在大爆炸發(fā)生后的3、4億年左右即形成了這兩個十億倍太陽質量的星系。這些極高紅移（即年代非常久遠的古老星系）的星系呈現(xiàn)令人驚嘆的高亮度與致密的形態(tài)，與理論的預期和近鄰星系的屬性截然不同。
2. 中高紅移矮星系金屬豐度梯度的測量
紅移z在2-3的范圍，對應整個宇宙恒星形成過程中最劇烈的歷史時期。銀河系在這一歷史階段恒星形成的活躍程度也快速提升并抵達峰值。通過研究金屬元素豐度在該紅移處星系盤范圍內的空間分布，天文學家可以有效地示蹤星際介質里氣體流動、恒星形成反饋效應與環(huán)境因素對星系形成與演化的影響，幫助我們理解銀河系在演化早期的結構形成與金屬增豐過程。
GLASS-JWST項目在國際上首次使用JWST無縫光譜數(shù)據(jù)對高紅移星系進行的空間分辨分析，也是針對紅移高于3的星系的首例高精度金屬豐度徑向梯度測量（如圖5所示）。該工作借助JWST高空間分辨率、高靈敏度的近紅外波長覆蓋優(yōu)勢，捕捉到高紅移矮星系中存在極端反常的內低外高的反轉金屬豐度徑向梯度。通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，星系并合過程中引力作用帶來的貧金屬氣體內流很可能是造成這一極端反常的反轉金屬梯度的原因。
圖5：GLASS-JWST項目測得首例紅移高于3的星系的高精度金屬豐度梯度，（這里可以增加一些圖片說明，比如各色點、線代表的信息等）。圖片來源：參考文獻[5]
3. 最高紅移原初星系團證認
通過GALSS-JWST NIRSpec的觀測，光譜證認了目前觀測到的紅移最高 （紅移7.89） 的原初星系團，其中包含6個光譜證認星系，以及9個測光紅移星系候選體。該星系團場暗物質暈質量高于四千億倍太陽質量，速度彌散約為1200±300km/s。這次原初星系團場證認的成功表明通過NIRSpec低分辨率但寬波段覆蓋的光譜觀測證認高紅移星系是一種成功且高效的方式，這有助于我們深入理解星系團在宇宙再電離時期的作用。
圖6：GLASS-JWST項目證認的紅移最高的原初星系團（z = 7.89），圖片來源：參考文獻[6]隨著JWST觀測在如火如荼地進行，越來越多的關鍵性發(fā)現(xiàn)會不斷浮出水面。包括GLASS-JWST項目在內的13個先導項目的所有數(shù)據(jù)采集工作將宣告完成，這些數(shù)據(jù)的公開性與實效性將為河外星系等研究領域帶來極大的促進作用。毫無疑問，星系研究將進入一個新時代，這是全世界天文學家們的盛筵，期待JWST為我們帶來更多驚艷的科學成果！
[1] Xin Wang et al. A Census of Sub-kiloparsec Resolution Metallicity Gradients in Star-forming Galaxies at Cosmic Noon from HST Slitless Spectroscopy. 2020, ApJ, 900, 183
[2] https://www.stsci.edu/jwst/instrumentation
[3] Tommaso Treu et al. The GLASS-JWST Early Release Science Program. I. Survey Design and Release Plans. 2022, ApJ, 935, 110
[4] https://webbtelescope.org/contents/news-releases/2022/news-2022-044
[5] Xin Wang et al. Early Results from GLASS-JWST. IV. Spatially Resolved Metallicity in a Low-mass z ～ 3 Galaxy with NIRISS. 2022, ApJL, 938, L16
[6] Takahiro Morishita et al. Early results from GLASS-JWST. XVIII: A spectroscopically confirmed protocluster 650 million years after the Big Bang. arXiv:2211.09097
王鑫，中國科學院大學副教授。主要從事空間望遠鏡數(shù)據(jù)處理算法開發(fā)，第一代恒星搜尋，星系形成與化學演化，暗物質空間分布等領域的天文研究。被選為詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）大師班成員，應美國航空航天局（NASA）授權負責為JWST培養(yǎng)觀測人才。目前以首席科學家身份主持兩項哈勃空間望遠鏡（HST）中型級別觀測項目，作為核心成員參與數(shù)項珍寶級和大型JWST、HST觀測項目。制版編輯 | Livan
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