圖片來(lái)源：http://glass.astro.ucla.edu/劃時(shí)代的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)升空一年有余。作為現(xiàn)今最強(qiáng)大的近紅外空間望遠(yuǎn)鏡，韋布在出發(fā)之前就選取了13個(gè)先導(dǎo)項(xiàng)目，“韋布的酒杯 ”—— GLASS-JWST項(xiàng)目就是其中之一。本期賽先生天文，項(xiàng)目核心成員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)王鑫為我們分享GLASS-JWST的前世今生以及它所揭示的星系團(tuán)背后的故事。詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（下文簡(jiǎn)稱(chēng)JWST）是聯(lián)合了美國(guó)國(guó)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(jià)超過(guò)100億美元的空間旗艦項(xiàng)目。它于2021年12月25日在法屬圭亞那發(fā)射升空，經(jīng)過(guò)1個(gè)多月的航行，前往距離地球150萬(wàn)公里的拉格朗日L2點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)。依照NASA領(lǐng)銜的空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)項(xiàng)目慣例，每年至少一次公開(kāi)向全球天文學(xué)家征集觀測(cè)項(xiàng)目。所提交的觀測(cè)項(xiàng)目會(huì)經(jīng)過(guò)層層淘汰，篩選出優(yōu)勝項(xiàng)目并被給予觀測(cè)時(shí)間。除了這種公開(kāi)征集的General Observing一般觀測(cè)項(xiàng)目，JWST前幾個(gè)運(yùn)行編排周期（Cycle）內(nèi)，還存在Guaranteed Time Observation Programs（保證時(shí)間觀測(cè)項(xiàng)目）和Early Release Science （ERS） Programs（早期釋放科學(xué)項(xiàng)目），前者是獎(jiǎng)勵(lì)在JWST建造過(guò)程中做出杰出貢獻(xiàn)的天文學(xué)家和相關(guān)團(tuán)隊(duì)，后者則是在2017年由NASA下轄的空間望遠(yuǎn)鏡研究所（Space Telescope Science Institute，簡(jiǎn)稱(chēng)STScI）向全世界天文學(xué)界征集的先導(dǎo)項(xiàng)目。最終，13個(gè)項(xiàng)目脫穎而出，成為被空間望遠(yuǎn)鏡研究所所長(zhǎng)特批的先導(dǎo)項(xiàng)目，在JWST升空1年內(nèi)觀測(cè)完畢，其數(shù)據(jù)會(huì)即時(shí)公開(kāi)，提供給全世界的天文學(xué)家進(jìn)行科學(xué)分析。說(shuō)白了，JWST這個(gè)量級(jí)的科學(xué)儀器，總要帶著些精挑細(xì)選的前置任務(wù)，而不是飛到目的地才開(kāi)始安排。無(wú)縫光譜透鏡深場(chǎng)巡天（GLASS-JWST）先導(dǎo)項(xiàng)目就是這13個(gè)ERS項(xiàng)目的其中之一。筆者為該項(xiàng)目的核心成員，這個(gè)項(xiàng)目的前身是GLASS-HST項(xiàng)目。GLASS全稱(chēng)為T(mén)he Grism Lens-Amplified Survey from Space，中文名稱(chēng)為無(wú)縫光譜透鏡深場(chǎng)巡天，是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope, HST） 第21個(gè)運(yùn)行編排周期（Cycle-21）內(nèi)執(zhí)行的大型項(xiàng)目。該項(xiàng)目獲得了140個(gè)軌道周期的觀測(cè)，使用第三代寬視場(chǎng)照相機(jī)（Wide-Field Camera 3）上搭載的兩個(gè)近紅外無(wú)縫光譜儀（G102 與 G141）對(duì)10個(gè)星系團(tuán)中心場(chǎng)進(jìn)行了無(wú)縫光譜觀測(cè)。由于哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在低地軌道（Low Earth Orbit）運(yùn)行，每個(gè)軌道周期在軌運(yùn)行時(shí)間大約為90分鐘，其中科學(xué)曝光時(shí)間45分鐘。這140個(gè)軌道周期的觀測(cè)時(shí)間平均分配給10個(gè)星系團(tuán)中心場(chǎng)，其中包括紅移0.308的Abell 2744星系團(tuán)場(chǎng)（見(jiàn)圖1）。GLASS-HST項(xiàng)目產(chǎn)出了豐碩的科學(xué)成果，尤其在高效完善的無(wú)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(shí)代的進(jìn)展。借由該項(xiàng)目營(yíng)造的巨大優(yōu)勢(shì)，筆者所在的團(tuán)隊(duì)提出了使用JWST進(jìn)一步進(jìn)行深入無(wú)縫光譜與多目標(biāo)狹縫光譜觀測(cè)的透鏡深場(chǎng)觀測(cè)申請(qǐng)，這一申請(qǐng)被順利批準(zhǔn)成為GLASS-JWST項(xiàng)目。
圖1: GLASS-HST與GLASS-JWST的主要目標(biāo)天區(qū)：Abell 2744 （紅移0.308） 星系團(tuán)中心場(chǎng)。紅色和綠色方框代表了HST/WFC3的視場(chǎng)，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)幾近正交的分光方向，如右上角的箭頭所示。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]GLASS-JWST的科學(xué)目標(biāo)JWST是一臺(tái)通用型空間望遠(yuǎn)鏡，兼具從近紅外到中紅外波段的各種觀測(cè)模式，除了導(dǎo)星儀外，其光學(xué)平臺(tái)搭載了4個(gè)科學(xué)儀器，分別是：近紅外照相機(jī)（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(gè)科學(xué)終端設(shè)備覆蓋了從近紅外到中紅外（0.6-28μm）的所有波長(zhǎng)范圍，并提供了極為豐富的觀測(cè)模式，包括多目標(biāo)狹縫光譜觀測(cè)（高、中、低波長(zhǎng)分辨率）、積分場(chǎng)光譜儀（NIRSpec 高分辨率 和 MIRI 中分辨率）以及無(wú)縫光譜觀測(cè)（NIRISS 低分辨率 和 NIRCam 高分辨率）。
圖2：JWST的4個(gè)主要后端科學(xué)儀器的波長(zhǎng)覆蓋和視場(chǎng)范圍。GLASS-JWST項(xiàng)目使用了其中3個(gè)后端儀器：NIRISS, NIRSpec 和 NIRCam。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]功能強(qiáng)大的科學(xué)儀器給科學(xué)家了解宇宙新的機(jī)遇，卻也提出了更高的要求：在窗口期極短的情況下，科學(xué)目標(biāo)的制定、觀測(cè)源的篩選、觀測(cè)計(jì)劃的設(shè)計(jì)與推進(jìn)……綜合起來(lái)，就是要在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)，盡可能地觀測(cè)并得到重要信息。科學(xué)目標(biāo)方面，對(duì)于性能部分重疊（波段覆蓋與觀測(cè)模式）的這四個(gè)儀器，如何科學(xué)高效地利用成為了科學(xué)家首先思考的問(wèn)題：選擇哪些設(shè)備進(jìn)行有針對(duì)性的觀測(cè)？高波長(zhǎng)分辨率的狹縫光譜觀測(cè)空間延展源（例如高紅移星系）時(shí)，狹縫的固定0.2角秒寬度會(huì)帶來(lái)哪些光譜觀測(cè)的系統(tǒng)誤差？低波長(zhǎng)分辨率的無(wú)縫光譜觀測(cè)所帶來(lái)的譜線交疊現(xiàn)象對(duì)星系物理參數(shù)的測(cè)量是否有影響？極高紅移星系的靜止波長(zhǎng)光學(xué)波段的光譜和圖像包含哪些特征？這四個(gè)后端儀器與眾多的觀測(cè)模式需要盡快讓天文學(xué)界熟識(shí)，才能提出合理、高效的觀測(cè)項(xiàng)目，充分利用寶貴的觀測(cè)時(shí)間。基于JWST強(qiáng)大的觀測(cè)能力，它被期待在其相對(duì)短暫的運(yùn)行時(shí)間里，解答高紅移星系形成與演化領(lǐng)域的一系列關(guān)鍵問(wèn)題。而GLASS-JWST項(xiàng)目則主要致力于回答如下關(guān)鍵問(wèn)題：1. 通過(guò)搜尋高紅移星系，探測(cè)其中的Lyman-alpha等譜線來(lái)限制宇宙再電離的時(shí)間線索，研究哪些天體主要推動(dòng)了宇宙再電離（cosmic reionization）過(guò)程。宇宙再電離指的是在宇宙誕生10億年內(nèi)，星系際介質(zhì)中中性氫含量急劇降低的過(guò)程，這是宇宙最后一次經(jīng)歷的整體相變，其主要能量來(lái)源目前還在不斷探究過(guò)程中。2. 通過(guò)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(yīng)、氣體吸積與外流等物理過(guò)程在星系形成演化中起的作用，探索重子物質(zhì)（氫、碳、氧、氮等元素）如何在中高紅移星系中的星際介質(zhì)與星系際介質(zhì)周邊循環(huán)。觀測(cè)源選取方面，將前文提到的Abell 2744星系團(tuán)選作GALSS-JWST的觀測(cè)天區(qū)，科學(xué)家們也經(jīng)過(guò)了深思熟慮。首先，Abell 2744是六個(gè)哈勃望遠(yuǎn)鏡透鏡超深場(chǎng)星系團(tuán)之一（Hubble Frontier Fields）。在這個(gè)天區(qū)內(nèi)，存在極深的高精度HST成像數(shù)據(jù)（每個(gè)星系團(tuán)中心場(chǎng)投入近200軌曝光）與多波段觀測(cè)數(shù)據(jù)（包括Chandra X-射線觀測(cè)和ALMA亞毫米波觀測(cè)）。同時(shí)該天區(qū)也存在異常豐富的光譜觀測(cè)數(shù)據(jù)與紅移星表?？梢哉f(shuō)，HST打下了很好的觀測(cè)基礎(chǔ)。其次，Abell 2744星系團(tuán)具有極其精確的質(zhì)量模型。星系團(tuán)中心場(chǎng)相較于空白場(chǎng)對(duì)于河外星系巡天的優(yōu)勢(shì)在于引力透鏡效應(yīng)：前景的大質(zhì)量星系團(tuán)可以作為天然望遠(yuǎn)鏡，放大背景星系的觀測(cè)細(xì)節(jié)（達(dá)到亞千秒差距級(jí)別的極高角分辨率），并提升觀測(cè)對(duì)象的極限星等，使內(nèi)稟更暗的源也能被探測(cè)到。但是，這一切的前提是這個(gè)前景引力場(chǎng)的性質(zhì)能被很好地理解。通過(guò)使用精細(xì)的強(qiáng)和弱引力透鏡效應(yīng)信號(hào)約束，Abell 2744的質(zhì)量模型（包括可見(jiàn)物質(zhì)和暗物質(zhì)）已經(jīng)被很好的重構(gòu)。 此外，由于JWST先導(dǎo)項(xiàng)目具備極高的時(shí)效性，需要在Cycle 1前幾個(gè)月結(jié)束觀測(cè)。而由于JWST的設(shè)計(jì)，可觀測(cè)天區(qū)窗口是有限的。在我們?yōu)閿?shù)不多的候選目標(biāo)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(dǎo)項(xiàng)目的主打觀測(cè)目標(biāo)。科學(xué)目標(biāo)、觀測(cè)源既定，觀測(cè)模式和規(guī)劃也必須行之有效。為了高效地實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，針對(duì)Abell 2744星系團(tuán)中心場(chǎng)，GLASS-JWST項(xiàng)目組采取了以下觀測(cè)模式：1. 近紅外相機(jī)和無(wú)縫光譜儀（NIRISS）
采用3個(gè)波段（F115W、F150W和F200W）進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)波段使用2個(gè)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(gè)正交色散的分光儀，這個(gè)舉措使我們不需要像GLASS-HST項(xiàng)目一樣間隔近半年的觀測(cè)時(shí)間、通過(guò)改變望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的方位角來(lái)得到幾近正交的兩個(gè)分光方向。JWST/NIRISS通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)濾光輪，可以對(duì)同一天區(qū)獲得相互垂直色素的無(wú)縫光譜曝光，這對(duì)稠密星場(chǎng)的抽譜分析工作至關(guān)重要。
圖3：GLASS-JWST項(xiàng)目對(duì)Abell 2744星系團(tuán)中心場(chǎng)的無(wú)縫光譜觀測(cè)。左上：三色偽彩圖展示了NIRISS探測(cè)器的視場(chǎng)。右上：截取的中間一部分NIRISS直接成像觀測(cè)。左下和右下分別對(duì)應(yīng)該zoom-in的中間天區(qū)兩個(gè)正交色散方向得到的無(wú)縫光譜觀測(cè)數(shù)據(jù)。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]選取3個(gè)波段 （F100LP、F170LP和F290LP） 分別對(duì)應(yīng)3個(gè)分光儀 （G140H、G235H和G395H），進(jìn)行高波長(zhǎng)分辨率（R~2700）的光譜觀測(cè)。JWST NIRSpec儀器首次帶來(lái)了空間多目標(biāo)高分辨率狹縫光譜觀測(cè)模式，該設(shè)備通過(guò)精密排布總數(shù)為近25萬(wàn)個(gè)小快門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)針對(duì)特定空間位置源的觀測(cè)。在進(jìn)行星系團(tuán)中心場(chǎng)光譜觀測(cè)的同時(shí)，我們還采用平行場(chǎng)協(xié)同觀測(cè)的模式（Coordinated Parallels）對(duì)距離目標(biāo)中心近7角分處的天區(qū)進(jìn)行深度多色成像觀測(cè)。共采用6個(gè)波段觀測(cè) （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(xiàng)目運(yùn)行5個(gè)月以來(lái)在高紅移星系搜尋、特殊星系物理性質(zhì)研究、高放大率恒星證認(rèn)、高紅移星系尺度-光度關(guān)系、低質(zhì)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(zhì)量寧?kù)o星系光譜證認(rèn)等領(lǐng)域獲得了一系列成果。筆者在這里簡(jiǎn)單介紹一下其中的三個(gè)方面：1. 極高紅移星系候選體的發(fā)現(xiàn)
科研人員通過(guò)分析GLASS-JWST項(xiàng)目平行場(chǎng)NIRCam的多色成像數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了2個(gè)超高紅移星系（紅移12.5和10.5）。通過(guò)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(gè)極高紅移星系候選體（如圖4所示）。
圖4：GLASS-JWST項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)極高紅移星系候選體。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[4]
通過(guò)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(gè)十億倍太陽(yáng)質(zhì)量的星系。這些極高紅移（即年代非常久遠(yuǎn)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(yù)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(cè)量
紅移z在2-3的范圍，對(duì)應(yīng)整個(gè)宇宙恒星形成過(guò)程中最劇烈的歷史時(shí)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(dá)峰值。通過(guò)研究金屬元素豐度在該紅移處星系盤(pán)范圍內(nèi)的空間分布，天文學(xué)家可以有效地示蹤星際介質(zhì)里氣體流動(dòng)、恒星形成反饋效應(yīng)與環(huán)境因素對(duì)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(jié)構(gòu)形成與金屬增豐過(guò)程。
GLASS-JWST項(xiàng)目在國(guó)際上首次使用JWST無(wú)縫光譜數(shù)據(jù)對(duì)高紅移星系進(jìn)行的空間分辨分析，也是針對(duì)紅移高于3的星系的首例高精度金屬豐度徑向梯度測(cè)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(zhǎng)覆蓋優(yōu)勢(shì)，捕捉到高紅移矮星系中存在極端反常的內(nèi)低外高的反轉(zhuǎn)金屬豐度徑向梯度。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，星系并合過(guò)程中引力作用帶來(lái)的貧金屬氣體內(nèi)流很可能是造成這一極端反常的反轉(zhuǎn)金屬梯度的原因。
圖5：GLASS-JWST項(xiàng)目測(cè)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(shuō)明，比如各色點(diǎn)、線代表的信息等）。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[5]
3. 最高紅移原初星系團(tuán)證認(rèn)
通過(guò)GALSS-JWST NIRSpec的觀測(cè)，光譜證認(rèn)了目前觀測(cè)到的紅移最高 （紅移7.89） 的原初星系團(tuán)，其中包含6個(gè)光譜證認(rèn)星系，以及9個(gè)測(cè)光紅移星系候選體。該星系團(tuán)場(chǎng)暗物質(zhì)暈質(zhì)量高于四千億倍太陽(yáng)質(zhì)量，速度彌散約為1200±300km/s。這次原初星系團(tuán)場(chǎng)證認(rèn)的成功表明通過(guò)NIRSpec低分辨率但寬波段覆蓋的光譜觀測(cè)證認(rèn)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(tuán)在宇宙再電離時(shí)期的作用。
圖6：GLASS-JWST項(xiàng)目證認(rèn)的紅移最高的原初星系團(tuán)（z = 7.89），圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[6]GLASS-JWST對(duì)未來(lái)的指引隨著JWST觀測(cè)在如火如荼地進(jìn)行，越來(lái)越多的關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)會(huì)不斷浮出水面。包括GLASS-JWST項(xiàng)目在內(nèi)的13個(gè)先導(dǎo)項(xiàng)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(kāi)性與實(shí)效性將為河外星系等研究領(lǐng)域帶來(lái)極大的促進(jìn)作用。毫無(wú)疑問(wèn)，星系研究將進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代，這是全世界天文學(xué)家們的盛筵，期待JWST為我們帶來(lái)更多驚艷的科學(xué)成果！
參考文獻(xiàn)：（上下滑動(dòng)可瀏覽）[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(guó)科學(xué)院大學(xué)副教授。主要從事空間望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)處理算法開(kāi)發(fā)，第一代恒星搜尋，星系形成與化學(xué)演化，暗物質(zhì)空間分布等領(lǐng)域的天文研究。被選為詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）大師班成員，應(yīng)美國(guó)航空航天局（NASA）授權(quán)負(fù)責(zé)為JWST培養(yǎng)觀測(cè)人才。目前以首席科學(xué)家身份主持兩項(xiàng)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）中型級(jí)別觀測(cè)項(xiàng)目，作為核心成員參與數(shù)項(xiàng)珍寶級(jí)和大型JWST、HST觀測(cè)項(xiàng)目。制版編輯 | Livan
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