卷出新高度：韋布空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)破紀(jì)錄的古老星系

最近，天文學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)一個(gè)紅移高達(dá)13的星系，當(dāng)時(shí)的宇宙年齡約為3.3億年。此前，保持紀(jì)錄的是紅移約為11的星系，它所處的宇宙的年齡約為4.2億年。韋布將人類看到的最遠(yuǎn)星系往宇宙誕生時(shí)刻方向推進(jìn)了約1億年。這只是韋布的一個(gè)輕松的開(kāi)端。我們可以預(yù)期的是，開(kāi)了掛的韋布將在未來(lái)很短的時(shí)間內(nèi)獲得更大的突破，帶領(lǐng)人類破解極早期宇宙的奧秘。

撰文 | 王善欽

2022年7月12日，韋布望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，簡(jiǎn)稱JWST或“韋布”）得到的第一批圖像在萬(wàn)眾矚目的盛況中被正式公布。這批照片不僅震撼了天文圈子里的專業(yè)人士，也震撼了圈外的眾多吃瓜群眾。

圖：2016年，被拼裝好的韋布的主鏡以及被折疊的副鏡與支架。丨圖源：NASA

然而，一瓜未落，一瓜又起：7月20日，哈佛大學(xué)的天文學(xué)家領(lǐng)銜的一個(gè)合作小組宣布，他們?cè)陧f布拍攝的圖像中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)破紀(jì)錄的星系：它在宇宙大爆炸后大約3.3億年之后就已形成，是至今為止被發(fā)現(xiàn)的最古老的星系。

如何確定天體的紅移？

紅移是測(cè)量天體距離與年齡的最關(guān)鍵依據(jù)之一。由于天體自身的運(yùn)動(dòng)或宇宙自身的膨脹，天體發(fā)出的光波會(huì)發(fā)生變化。如果光波變長(zhǎng)，就是紅移；如果光波變短，就是負(fù)的紅移，即藍(lán)移。

這樣取名是時(shí)代所限：100多年前的天文學(xué)家能夠觀測(cè)的波長(zhǎng)基本上限于可見(jiàn)光，而可見(jiàn)光中紅光的波長(zhǎng)最長(zhǎng)，藍(lán)紫光的波長(zhǎng)最短。因此其他顏色的可見(jiàn)光朝著紅色一端移動(dòng)，就是紅移。隨著觀測(cè)波長(zhǎng)范圍的擴(kuò)大，天文學(xué)家早已觀測(cè)到紅光朝著紅外移動(dòng)的現(xiàn)象。不過(guò)，根據(jù)慣例，這樣的移動(dòng)依然被稱為“紅移”，而不是“紅外移”。我們只需要記?。骸凹t移”泛指波長(zhǎng)變長(zhǎng)。

天體發(fā)出的光包含眾多元素的原子發(fā)出的輻射。這些輻射由原子內(nèi)的電子的躍遷導(dǎo)致，它們都有固定的波長(zhǎng)。天體發(fā)出的部分光在前往地球的過(guò)程中，某些波段的輻射被自身大氣或星際介質(zhì)吸收后，強(qiáng)度變?nèi)?，顯示為吸收線。

測(cè)量到的天體的光譜中，如果某種元素的某條吸收線的波長(zhǎng)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)出的波長(zhǎng)不一樣，就說(shuō)明其產(chǎn)生紅移或藍(lán)移。將二者相減，再除以實(shí)驗(yàn)室測(cè)出的波長(zhǎng)，就是紅移或藍(lán)移的值。

圖：吸收線（圖中暗線）發(fā)生紅移的示意圖。箭頭表示譜線發(fā)生的移動(dòng)。丨圖源：Georg Wiora

例如，氫原子的電子從第2、3、4、5、6軌道躍遷到第1軌道（基態(tài)），發(fā)出的輻射的波長(zhǎng)依次為121.57納米、102.57納米、97.254納米、94.974納米與93.780納米，這就是著名的“萊曼線系”的前幾條。這些線也分別被稱為萊曼α線、萊曼β線、萊曼γ線，等等。如果我們觀測(cè)到某個(gè)天體的萊曼α線的波長(zhǎng)成為1215.7納米，那么我們就可以將1215.7減去其實(shí)驗(yàn)室里測(cè)出的波長(zhǎng)121.57，再除以121.57，得到的數(shù)字9就是紅移的值。

一些遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的輻射在穿過(guò)眾多富含氫的星系際分子云時(shí)，里面包含的萊曼α線（以及其他萊曼線）會(huì)被分子云內(nèi)的氫嚴(yán)重吸收，使其亮度出現(xiàn)斷崖式的下跌，導(dǎo)致波長(zhǎng)等于和短于萊曼α線的輻射的亮度遠(yuǎn)低于其他波長(zhǎng)上的亮度。這樣的星系被稱為“萊曼斷裂星系”（Lyman-break galaxies，LBG）。

觀測(cè)到萊曼斷裂星系后，將斷裂處的波長(zhǎng)測(cè)出，再與實(shí)驗(yàn)室中的萊曼α線的波長(zhǎng)（121.57納米）對(duì)比，就可以計(jì)算出其紅移。實(shí)際上的操作當(dāng)然要更復(fù)雜一些：通過(guò)模型擬合，得到其理論能譜，從而確定出萊曼斷裂的具體波長(zhǎng)，再計(jì)算其紅移。

曾經(jīng)的冠軍：GN-z11

此前，天文學(xué)家在哈勃拍攝的圖像中發(fā)現(xiàn)的最古老的星系是GN-z11。這個(gè)編號(hào)中的G代表“大型天文臺(tái)宇宙起源深度巡天” （The Great Observatories Origins Deep Survey，GOODS），這是一個(gè)由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（以下簡(jiǎn)稱“哈勃”）與一些空間X射線望遠(yuǎn)鏡及地面望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合執(zhí)行多波段觀測(cè)的。GOODS觀測(cè)南與北兩個(gè)特定天區(qū)，分別用S和N表示。所以GN代表這個(gè)項(xiàng)目觀測(cè)的北天區(qū)。

圖：在GOODS北區(qū)域被觀測(cè)到的GNz-11的放大圖（小圖）。這是由哈勃的ACS與WFC3得到的可見(jiàn)光與近紅外線數(shù)據(jù)合成的圖。丨圖源：NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University)

2016年，耶魯大學(xué)的天文學(xué)家Pascal Oesch領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)結(jié)合哈勃與斯皮澤空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的圖像，用哈勃的第三代寬場(chǎng)相機(jī)（WFC3）的棱柵光譜儀獲得了位于GN觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的這個(gè)星系的光譜。他們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)星系能譜的斷裂波長(zhǎng)兩側(cè)的輻射流量比值低于0.32。**[1]**因此，它是一個(gè)萊曼斷裂星系。

Oesch等人用萊曼斷裂星系模板擬合它的能譜（見(jiàn)下圖），確定出“萊曼斷裂”處的波長(zhǎng)約為1.47微米（1470納米），得到其紅移約為11.09。因?yàn)樗募t移約為11，因此編號(hào)中就有了“z11”。

圖：GNz-11的能譜擬合表明其紅移約為11.09。暗紅色線為使用“萊曼斷裂星系”（LBG）模板擬合的理論上的能譜。向下的箭頭表示觀測(cè)的上限值。另外兩個(gè)模型的擬合的品質(zhì)都低得多，這排除了這個(gè)星系為低紅移星系的可能性。丨圖源：參考文獻(xiàn)[1]

根據(jù)紅移來(lái)計(jì)算星系的年齡，依賴于一些宇宙學(xué)參數(shù)。假設(shè)當(dāng)前的哈勃常數(shù)為69.6，宇宙中物質(zhì)的比例為0.286，暗能量的比例為0.714，那我們的宇宙的年齡為137.21年（見(jiàn)：https://www.astro.ucla.edu/~wright/CosmoCalc.html）。

在這樣的宇宙中，紅移為11的星系所在的宇宙的年齡為4.19億年，其“壽命”至少為133.02億年。

新紀(jì)錄的保持者：GLASS-z13

GN-z11的冠軍寶座還沒(méi)坐幾年，就被韋布發(fā)現(xiàn)的更遠(yuǎn)的星系取而代之了。這次破了紀(jì)錄的星系被命名為GLASS-z13。

圖：GLASS-z13的偽色圖像。丨圖源：Naidu et al, P. Oesch, T. Treu, GLASS-JWST, NASA/CSA/ESA/STScI

GLASS-z13中的GLASS是 “空間棱柵透鏡放大巡天”（Grism Lens Amplified Survey from Space）的英文縮寫。GLASS項(xiàng)目觀測(cè)了10個(gè)星系團(tuán)及它們附近的10個(gè)空區(qū)域，其中一個(gè)星系團(tuán)為Abell 2744，它也是著名的“哈勃邊疆場(chǎng)”（Hubble Frontier Fields，HFF）當(dāng)年拍攝的6個(gè)星系團(tuán)之一。

圖：哈勃邊疆場(chǎng)項(xiàng)目得到的Abell 2744所在的天區(qū)（左）與該天區(qū)附近的“平行區(qū)域”的圖像。丨圖源：NASA, ESA, and J. Lotz, M. Mountain, A. Koekemoer, and the HFF Team (STScI)（左）；參考文獻(xiàn)[2]（右）

韋布用近紅外相機(jī)（NIRCam）拍攝Abell 2744所在天區(qū)及附近的天區(qū)內(nèi)的星系的圖像，并用近紅外成像儀與無(wú)縫光譜儀（Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph，NIRISS）與近紅外光譜儀（Near-Infrared Spectrograph，NIRSpec）獲得天體的光譜。韋布得到的這些數(shù)據(jù)作為早期釋放科學(xué)（early release science，ERS）數(shù)據(jù)之一被釋放。這個(gè)項(xiàng)目因此被稱為“GLASS-JWST-ERS”。

哈佛大學(xué)-斯密森天體物理中心（CfA）的Rohan Naidu領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在GLASS-JWST-ERS得到的數(shù)據(jù)中確認(rèn)了GLASS-z13 [注1]。必須提及的是，當(dāng)年領(lǐng)銜團(tuán)隊(duì)確認(rèn)GN-z11的Pascal Oesch也是這個(gè)團(tuán)隊(duì)的成員**[注2]**，名列相關(guān)論文的第二。

下圖頂端的7幅小圖為韋布的NIRCam對(duì)GLASS-z13的7個(gè)波段的觀測(cè)。這7個(gè)波段的中心波長(zhǎng)分別為0.9微米、1.15微米、1.5微米、2.0微米、2.27微米、3.56微米與4.44微米。在這些波段，NIRCam對(duì)GLASS-z13所在的天區(qū)的觀測(cè)時(shí)間分別為3.3、3.3、1.7、1.5、1.5、1.7與6.6小時(shí)。[3]

圖：韋布的NIRCam的7個(gè)濾光片拍攝的GLASS-z13的圖像（上）、根據(jù)得到的數(shù)據(jù)獲得的各波段流量密度（左下，不同波段的星等/流量構(gòu)成能譜）與擬合得到的紅移（右下）。向下的箭頭表示觀測(cè)的上限值。橙紅色線為使用“萊曼斷裂星系”（LBG）模板擬合的理論上的能譜。丨圖源：參考文獻(xiàn)[3]

從上圖中的7個(gè)波段的觀測(cè)圖像可以直觀地看出，波長(zhǎng)較短的3個(gè)波段的圖像中都沒(méi)有出現(xiàn)GLASS-z13的圖像，因此只能給出亮度的上限值。波長(zhǎng)較長(zhǎng)的4個(gè)波段的圖像中出現(xiàn)了明顯的星系圖像，因此可以得到精確的亮度值。

將7個(gè)波段的亮度或上限精確值繪制到能譜的圖中，就可以判斷出GLASS-z13的“萊曼斷裂”的波長(zhǎng)的大致位置，它將處于1.5到2.0微米之間。Naidu等人用“萊曼斷裂星系”（圖中的“LBG”）模板擬合出理論能譜（上圖中的橙色線），確定出這個(gè)星系的“萊曼斷裂”的波長(zhǎng)的具體值。

根據(jù)擬合圖，我們可以看出：在略大于1.6微米（1600納米）處，GLASS-z13的流量出現(xiàn)了斷崖式的下跌，因此這個(gè)波長(zhǎng)就是這個(gè)星系的萊曼α線的位置。如果我們粗略地將1.6微米（1600納米）減去實(shí)驗(yàn)室中的萊曼α線的波長(zhǎng)（121.57納米），再除以后者，就可以得到其紅移大約為12。實(shí)際上，因?yàn)樗臄嗔巡ㄩL(zhǎng)略大于1.6微米，最終得到的它的紅移為12.4或13.1（采用不同模型，得到的值略不同）。

根據(jù)上面取定的宇宙學(xué)參數(shù)，紅移為13的星系GLASS-z13所在的宇宙的年齡為3.32億年，其“壽命”至少為133.88億年，比紅移為11的星系更古老約0.86億年，接近1億年。因此，我們可以說(shuō)韋布已經(jīng)很輕松地將人類看到的最遠(yuǎn)的星系往宇宙誕生時(shí)刻推了約1億年。[注3]

根據(jù)模型擬合，GLASS-z13的質(zhì)量很低，僅約為太陽(yáng)質(zhì)量的10億倍。**[3]**作為對(duì)比，我們的銀河系的質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的1萬(wàn)億倍。因此，GLASS-z13的質(zhì)量?jī)H為銀河系質(zhì)量的約千分之一。

模型還表明，GLASS-z13在當(dāng)時(shí)的宇宙中的年齡已經(jīng)存在約7100萬(wàn)年（上下誤差分別為3200萬(wàn)年與3300萬(wàn)年）。**[3]**當(dāng)時(shí)宇宙自身的年齡僅約為3.32億年，因此它在宇宙誕生后約2.6億年時(shí)就已誕生。

韋布探測(cè)到的GLASS-z13（以及其他紅移達(dá)到10左右的高紅移星系）的近紅外輻射原本都是這些星系發(fā)出的紫外輻射。由于宇宙的膨脹，這些紫外線達(dá)到地球時(shí)，被拉長(zhǎng)為近紅外線。

以4.44微米波長(zhǎng)的輻射為例，除以（13+1），就是0.317微米，即317納米，屬于近紫外線。更短波長(zhǎng)的近紅外線，除以同樣的數(shù)值后，得到的是更短波長(zhǎng)的紫外線。因此，只有那些紫外線輻射足夠明亮的星系，才有可能被韋布探測(cè)到。

至于那些古老星系發(fā)出的可見(jiàn)光輻射，經(jīng)過(guò)這么大的紅移，到達(dá)地球時(shí)就已是中紅外輻射，韋布的中紅外設(shè)備（MIRI）是探測(cè)這些中紅外輻射的有力工具。

卷出新高度

Naidu等人的論文于2022年7月19日被上傳到預(yù)印本網(wǎng)站arxiv，并于20日被系統(tǒng)發(fā)布。同樣在7月19日被上傳到arxiv并在20日被發(fā)布的類似的論文是意大利國(guó)家天體物理研究所的Marco Castellano領(lǐng)銜的一個(gè)團(tuán)隊(duì)公布的一篇論文。[4]

Castellano等人的論文也使用了GLASS-JWST-ERS釋放的數(shù)據(jù)，從中確認(rèn)了紅移在9到15之間的一些星系，其中紅移超過(guò)10的兩個(gè)星系的紅移的代號(hào)分別為GHZ1與GHZ2，它們的紅移分別為10.6 與12.35。

Castellano等人也是采用“萊曼斷裂”方法來(lái)確定斷裂處的波長(zhǎng)，從而確定出它們的紅移。在韋布的NIRCam使用的7個(gè)濾光片中，較短波長(zhǎng)的兩個(gè)波段未探測(cè)到星系，另外5個(gè)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的圖像中探測(cè)到星系。Castellano等人據(jù)此用萊曼斷裂星系的模板擬合出這些星系的紅移，見(jiàn)下圖。

圖：韋布的NIRCam的7個(gè)濾光片拍攝的GHZ1（左）與GHZ2（右）的圖像（上）與根據(jù)得到的數(shù)據(jù)獲得的各波段星等圖（下，不同波段的星等/流量構(gòu)成能譜）。下圖的小圖內(nèi)為擬合得到的紅移。向下的箭頭表示觀測(cè)的上限值。圖中顯示出明顯的萊曼斷裂特征。丨圖源：參考文獻(xiàn)[4]

GHZ2的紅移略小于GLASS-z13，因此未引起媒體轟動(dòng)?？梢?jiàn)這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)內(nèi)卷到相當(dāng)驚人的程度了。

我們可以預(yù)見(jiàn)的是，此后天文學(xué)家根據(jù)韋布得到的數(shù)據(jù)去尋找更高紅移星系的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)不斷白熱化、更加內(nèi)卷化，新的距離會(huì)不斷刷新舊的紀(jì)錄。這種競(jìng)爭(zhēng)與內(nèi)卷對(duì)于人類認(rèn)識(shí)可見(jiàn)宇宙的邊疆是非常有益的。我們期待韋布今后有這方面的更大的突破出現(xiàn)，甚至發(fā)現(xiàn)第一代星系與第一代恒星。

圖：不同時(shí)代、不同望遠(yuǎn)鏡能夠探測(cè)到的宇宙的深度。下方粉紅色標(biāo)記的是紅移（redshift），白色字標(biāo)記的是對(duì)應(yīng)紅移處的宇宙年齡，以10億年為單位。韋布的觀測(cè)目標(biāo)是紅移為20、宇宙年齡僅2億年的時(shí)代的星系與恒星。丨圖源：NASA, ESA

注釋

[注1] 由于GLASS-z13位于Abell 2744所在天區(qū)，所以并不在韋布發(fā)布的第一張全彩圖（SMACS 0723所在的天區(qū)）內(nèi)。

[注2] Pascal Oesch現(xiàn)在的單位是瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)天文系與丹麥根本哈哥大學(xué)玻爾研究所。

[注3] 雖然不同的宇宙學(xué)參數(shù)會(huì)導(dǎo)致宇宙年齡年齡不同的具體值（137億年到140億年都有可能），但不同紅移處的古老星系的年齡差異僅有非常輕微的變化。

參考文獻(xiàn)

[1]Oesch, P. A. , et al. A Remarkably Luminous Galaxy at z=11.1 Measured with Hubble Space Telescope Grism Spectroscopy, 2016, ApJ, 819, 129

[2] Lotz J. M., et al. The Frontier Fields: Survey Design and Initial Results, 2017, ApJ, 837, 97

[3]Naidu, R. P., et al. Two Remarkably Luminous Galaxy Candidates at z ≈ 11 ? 13 Revealed by JWST, 2022, arXiv:2207.09434

[4] Castellano, M., et al. Early results from GLASS-JWST. III: Galaxy candidates at z～9-15, 2022, arXiv:2207.09436

出品：科普中國(guó)

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