星系近红外(波长为 0.5-2 微米)光度是确定星系的总恒星含量(恒星质量)及其恒星形成的宇宙历史(年龄)的关键物理量。星系的恒星质量和年龄的估算一般通过将观测到的星系光谱与星族模型进行比较来获得。但是，当前模型中所采用的恒星演化理论是基于银河系和其他近邻星系的观测所得，因此对遥远星系的适应性尚待商榷。此外，虽然大多数恒星阶段的建模并不具有争议性，但是明亮的、冷的热脉冲渐近巨星分支 (TP-AGB) 恒星是个例外。因为它们的演化速度很快，并且受到质量损失和热脉动等物理现象的影响，而人们对这些现象目前知之甚少，所以对其建模仍存在挑战和争议。不同星族模型处理TP-AGB恒星贡献方法是不同的，这将导致依赖模型拟合所估算的星系年龄和恒星质量也将会受到影响，尤其对于那些年龄约为10亿年的遥远的、不活跃的、宁静星系。如果TP-AGB恒星在星族模型中贡献越高，那么估算的星系年龄越年轻、恒星质量越小，这将影响人们对星系恒星形成历史的理解。近30年以来，TP-AGB恒星贡献的问题一直存在争议，未有结果。
TP-AGB 恒星温度较低并且具有特定的光谱特征。例如，在近红外波段，光谱存在由不同元素分子引起的非连续性和宽的吸收带等特点。如果星系中 TP-AGB 恒星的贡献非常高，则这些光谱特征很可能在静止波长0.5-2微米范围内被探测到。詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST) 的近红外光谱仪可以提供遥远宁静星系的观测光谱，为寻找这些可能存在的光谱特征带来契机。陆诗莹及其合作者在James Webb空间望远镜“宇宙演化早期释放科学 (CEERS)” 巡天数据库中发现了三个遥远的宁静星系，其中星系D36123最亮，且光谱质量卓越。通过分析高信噪比的光谱，首次揭示了在遥远星系中富氧和富碳的 TP-AGB 恒星的存在，以及其对星系有较高的总体贡献 (图 1)。通过比较观测光谱与不同的星族模型，该团队发现具有高TP-AGB贡献的模型表现更好，能够拟合再现出更多的谱型特征，并输出更小的质量和更年轻的年龄。但当前所有模型仍然需要改进，以更好地拟合观测到的所有光谱特征。
James Webb空间望远镜观测到的D36123光谱目前是独一无二的，因为在近邻的宇宙中没有发现任何已知的类似天体。它是在早期宇宙中首次被探测到具有显著TP-AGB 恒星光谱特征的星系，引发了关于 TP-AGB 恒星在遥远星系光谱中的重要性的争论。为了进一步探索在宇宙早期类D36123星系的普遍存在性，并测量星系中 TP-AGB 恒星的贡献范围，以及其光谱特征的强度变化，人们需要更多、更完备的星系样本来进行统计分析。令人非常振奋的是陆诗莹及其合作者已经进一步成功申请并获得了2025年的JWST 观测项目，预期这些崭新的观测将有助于进一步回答这些问题，并能够进一步探索 TP-AGB 恒星对星际介质的尘埃和化学丰度的影响。
相关成果以“Strong spectral features from asymptotic giant branch stars in distant quiescent galaxies”为题在国际著名期刊Nature Astronomy在线发表，同时应杂志邀请在Research Briefing上开展面向大众的同期宣传报道。陆诗莹为该论文第一作者和通讯作者，法国原子能研究所 Emanuele Daddi教授和英国朴茨茅斯大学Claudia Maraston 教授为论文共同通讯作者。南京大学顾秋生教授和来自美国、智利、意大利、西班牙、法国、英国等不同国家的二十多个学者参与了本工作并提供了宝贵意见。本工作得到了国家留学基金委和国家自然科学基金委的支持。
Nature Astronomy链接：https://www.nature.com/articles/s41550-024-02391-9
其他宣传链接如下：
Research Briefing：https://www.nature.com/articles/s41550-024-02392-8
博客Belind the paper: https://go.nature.com/4ee1ZLa
法国原子能署(法语)： https://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=5306
英国朴茨茅斯大学: https://www.port.ac.uk/news-events-and-blogs/news/new-james-webb-space-telescope-observations-confirm-20-year-old-galaxy-models
图1:遥远宁静星系D36123的静止近红外光谱。双直方图显示了光谱的±1σ 噪声，暗示谱信噪比极高。大量宽的吸收和非连续性特征反映出 TP-AGB 恒星特有的光谱特征，包括多个 TiO 伴有深 CN 和 C2 吸收特征(首次在遥远星系的光谱中检测到)，和VO 和 ZrO 稀有重元素特征。JWST近红外插图显示出 D36123 紧凑、宁静的星系形态。