近日，跨國科學合作項目COSMOS發布了有史以來最大宇宙地圖及其背后數據。該地圖名為COSMOS-Web，是利用詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）收集的數據構建而成，包含了跨越幾乎整個宇宙時間的全部成像數據以及一個包含近80萬個星系的目錄。這些數據挑戰了關于嬰兒期宇宙的現有觀念。相關論文已提交《天體物理學雜志》和《天文學與天體物理學》。
6張來自近80萬個星系的圖像，從左上到右下：現今的宇宙，以及30億年前、40億年前、80億年前、90億年前和100億年前。圖片來源：M. Franco/C. Casey/COSMOS-Web collaboration
美國加州大學圣塔芭芭拉分校物理學教授Caitlin Casey與美國羅切斯特理工學院的Jeyhan Kartaltepe共同領導了COSMOS-Web項目。Casey 說：“如果把哈勃超深空場圖像打印在一張標準紙上，按同樣比例，COSMOS-Web圖像將比一幅13英尺乘13英尺寬的壁畫還要稍大一些，并且深度相同。所以它確實大得驚人。”哈勃超深場指的是美國國家航空航天局（NASA）在2004年發布的包含近1萬個星系的標志性視圖。
COSMOS-Web可以回溯約135億年前。根據NASA的數據，宇宙大約有138億年歷史，誤差在1億年左右，覆蓋了大約98%的宇宙時間。研究人員的目標不僅是看到時間起點處一些最有趣的星系，還要看到早期宇宙中存在的更廣闊的宇宙環境景象，即第一批恒星、星系和黑洞形成時期的景象。
Casey說，在JWST啟用之前，她和同事根據其直徑6.5米（21英尺）的主集光鏡（比哈勃望遠鏡2.4米直徑的鏡面大約6倍）所能看到的星系數量做出了最佳預測。她說，來自JWST的最佳測量表明，宇宙最初5億年內的星系將極其罕見。
“這很合理——大爆炸發生了，物質需要時間在引力作用下坍縮形成，恒星需要時間點亮。這有一個與之相關的時間尺度。”Casey解釋說，“令人驚訝的是，用JWST，我們在這些難以置信的遙遠距離上看到的星系數量大約是預期的10倍。我們還看到了用哈勃望遠鏡甚至看不到的超大質量黑洞。”Casey補充道，他們不僅看到了更多，還看到了不同類型的星系和黑洞。
雖然COSMOS-Web的圖像和目錄回答了許多天文學家關于早期宇宙的問題，但它們也引發了更多問題。
“自從望遠鏡啟用以來，我們一直在想‘這些JWST數據集是否打破了宇宙學模型？’因為宇宙過早地產生了太多的光；它只有大約4億年時間來形成大約10億太陽質量的恒星。我們不知道這是如何實現的。”Casey說，“所以，有很多細節需要剖析，還有很多未解之謎。”
通過向公眾發布這些數據，Casey希望世界各地的天文學家都能利用它，進一步完善對早期宇宙如何被填充以及萬物如何演化至今的理解。該數據集還可能為宇宙的其他懸而未決的奧秘提供線索，例如暗物質以及早期宇宙物理學。
“這個項目的一個重要部分是科學的民主化，讓更廣泛的社區能夠獲取來自最好望遠鏡的工具和數據。”Casey說。這些數據在收集后幾乎立即公開，但只是原始形式，僅對那些擁有專業技術知識和超級計算機訪問權限以處理和解讀它的人有用。COSMOS合作項目在過去兩年里不知疲倦地工作，將原始數據轉換為廣泛可用的圖像和目錄。通過創建并發布這些產品，研究人員希望即使是天文學本科生也能深入研究這些材料并學到新東西。
對于COSMOS項目來說，探索仍在繼續。“我們即將收集更多數據。”Casey說，“我們認為，我們已經識別出圖像中最早的星系，但我們需要驗證這一點。”為此，他們將使用光譜學（將來自星系的光分解成棱鏡光譜）來確認這些源的距離，距離越遠意味著年代越古老。
“我們將通過追蹤氮、碳和氧來了解這些系統中的星際化學。未來還有很多東西需要學習，我們才剛剛觸及表面。”Casey補充說。
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