最近，天文學家宣布發(fā)現(xiàn)一個紅移高達 13 的星系，當時的宇宙年齡約為 3.3 億年。此前，保持紀錄的是紅移約為 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星系往宇宙誕生時刻方向推進了約 1 億年。這只是韋布的一個輕松的開端。我們可以預(yù)期的是，開了掛的韋布將在未來很短的時間內(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，韋布望遠鏡（James Webb Space Telescope，簡稱 JWST 或 " 韋布 "）得到的第一批圖像在萬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，哈佛大學的天文學家領(lǐng)銜的一個合作小組宣布，他們在韋布拍攝的圖像中發(fā)現(xiàn)了一個破紀錄的星系：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。由于天體自身的運動或宇宙自身的膨脹，天體發(fā)出的光波會發(fā)生變化。如果光波變長，就是紅移；如果光波變短，就是負的紅移，即藍移。

這樣取名是時代所限：100 多年前的天文學家能夠觀測的波長基本上限于可見光，而可見光中紅光的波長最長，藍紫光的波長最短。因此其他顏色的可見光朝著紅色一端移動，就是紅移。隨著觀測波長范圍的擴大，天文學家早已觀測到紅光朝著紅外移動的現(xiàn)象。不過，根據(jù)慣例，這樣的移動依然被稱為 " 紅移 "，而不是 " 紅外移 "。我們只需要記住：" 紅移 " 泛指波長變長。

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。天體發(fā)出的部分光在前往地球的過程中，某些波段的輻射被自身大氣或星際介質(zhì)吸收后，強度變?nèi)酰@示為吸收線。

測量到的天體的光譜中，如果某種元素的某條吸收線的波長與實驗室測出的波長不一樣，就說明其產(chǎn)生紅移或藍移。將二者相減，再除以實驗室測出的波長，就是紅移或藍移的值。

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。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。如果我們觀測到某個天體的萊曼 α 線的波長成為 1215.7 納米，那么我們就可以將 1215.7 減去其實驗室里測出的波長 121.57，再除以 121.57，得到的數(shù)字 9 就是紅移的值。

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

觀測到萊曼斷裂星系后，將斷裂處的波長測出，再與實驗室中的萊曼 α 線的波長（121.57 納米）對比，就可以計算出其紅移。實際上的操作當然要更復(fù)雜一些：通過模型擬合，得到其理論能譜，從而確定出萊曼斷裂的具體波長，再計算其紅移。

曾經(jīng)的冠軍：GN-z11

此前，天文學家在哈勃拍攝的圖像中發(fā)現(xiàn)的最古老的星系是 GN-z11。這個編號中的 G 代表 " 大型天文臺宇宙起源深度巡天 " （The Great Observatories Origins Deep Survey，GOODS），這是一個由哈勃空間望遠鏡（以下簡稱 " 哈勃 "）與一些空間 X 射線望遠鏡及地面望遠鏡聯(lián)合執(zhí)行多波段觀測的。GOODS 觀測南與北兩個特定天區(qū)，分別用 S 和 N 表示。所以 GN 代表這個項目觀測的北天區(qū)。

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

2016 年，耶魯大學的天文學家 Pascal Oesch 領(lǐng)銜的團隊結(jié)合哈勃與斯皮澤空間望遠鏡觀測的圖像，用哈勃的第三代寬場相機（WFC3）的棱柵光譜儀獲得了位于 GN 觀測區(qū)域內(nèi)的這個星系的光譜。他們發(fā)現(xiàn)，這個星系能譜的斷裂波長兩側(cè)的輻射流量比值低于 0.32。 [ 1 ] 因此，它是一個萊曼斷裂星系。

Oesch 等人用萊曼斷裂星系模板擬合它的能譜（見下圖），確定出 " 萊曼斷裂 " 處的波長約為 1.47 微米（1470 納米），得到其紅移約為 11.09。因為它的紅移約為 11，因此編號中就有了 "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的上限值。另外兩個模型的擬合的品質(zhì)都低得多，這排除了這個星系為低紅移星系的可能性。丨圖源：參考文獻 [ 1 ]

根據(jù)紅移來計算星系的年齡，依賴于一些宇宙學參數(shù)。假設(shè)當前的哈勃常數(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：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。

新紀錄的保持者：GLASS-z13

GN-z11 的冠軍寶座還沒坐幾年，就被韋布發(fā)現(xiàn)的更遠的星系取而代之了。這次破了紀錄的星系被命名為 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 項目觀測了 10 個星系團及它們附近的 10 個空區(qū)域，其中一個星系團為 Abell 2744，它也是著名的 " 哈勃邊疆場 "（Hubble Frontier Fields，HFF）當年拍攝的 6 個星系團之一。

圖：哈勃邊疆場項目得到的 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 [ 2 ] （右）

韋布用近紅外相機（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（early release science，ERS）數(shù)據(jù)之一被釋放。這個項目因此被稱為 "GLASS-JWST-ERS"。

哈佛大學 - 斯密森天體物理中心（CfA）的 Rohan Naidu 領(lǐng)導(dǎo)的一個團隊在 GLASS-JWST-ERS 得到的數(shù)據(jù)中確認了 GLASS-z13 [ 注 1 ] 。必須提及的是，當年領(lǐng)銜團隊確認 GN-z11 的 Pascal Oesch 也是這個團隊的成員 [ 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 GLASS-z13 的 7 個波段的觀測。這 7 個波段的中心波長分別為 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 GLASS-z13 所在的天區(qū)的觀測時間分別為 3.3、3.3、1.7、1.5、1.5、1.7 與 6.6 小時。 [ 3 ]

圖：韋布的 NIRCam 的 7 個濾光片拍攝的 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 [ 3 ]

從上圖中的 7 個波段的觀測圖像可以直觀地看出，波長較短的 3 個波段的圖像中都沒有出現(xiàn) GLASS-z13 的圖像，因此只能給出亮度的上限值。波長較長的 4 個波段的圖像中出現(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），確定出這個星系的 " 萊曼斷裂 " 的波長的具體值。

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，因此這個波長就是這個星系的萊曼 α 線的位置。如果我們粗略地將 1.6 微米（1600 納米）減去實驗室中的萊曼 α 線的波長（121.57 納米），再除以后者，就可以得到其紅移大約為 12。實際上，因為它的斷裂波長略大于 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，我們可以說韋布已經(jīng)很輕松地將人類看到的最遠的星系往宇宙誕生時刻推了約 1 億年。 [ 注 3 ]

根據(jù)模型擬合，GLASS-z13 的質(zhì)量很低，僅約為太陽質(zhì)量的 10 億倍。 [ 3 ] 作為對比，我們的銀河系的質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的 1 萬億倍。因此，GLASS-z13 的質(zhì)量僅為銀河系質(zhì)量的約千分之一。

模型還表明，GLASS-z13 在當時的宇宙中的年齡已經(jīng)存在約 7100 萬年（上下誤差分別為 3200 萬年與 3300 萬年）。 [ 3 ] 當時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 億年時就已誕生。

韋布探測到的 GLASS-z13（以及其他紅移達到 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，這些紫外線達到地球時，被拉長為近紅外線。

以 4.44 微米波長的輻射為例，除以（13+1），就是 0.317 微米，即 317 納米，屬于近紫外線。更短波長的近紅外線，除以同樣的數(shù)值后，得到的是更短波長的紫外線。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到。

至于那些古老星系發(fā)出的可見光輻射，經(jīng)過這么大的紅移，到達地球時就已是中紅外輻射，韋布的中紅外設(shè)備（MIRI）是探測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家天體物理研究所的 Marco Castellano 領(lǐng)銜的一個團隊公布的一篇論文。 [ 4 ]

Castellano 等人的論文也使用了 GLASS-JWST-ERS 釋放的數(shù)據(jù)，從中確認了紅移在 9 到 15 之間的一些星系，其中紅移超過 10 的兩個星系的紅移的代號分別為 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 " 方法來確定斷裂處的波長，從而確定出它們的紅移。在韋布的 NIRCam 使用的 7 個濾光片中，較短波長的兩個波段未探測到星系，另外 5 個較長波長的圖像中探測到星系。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，見下圖。

圖：韋布的 NIRCam 的 7 個濾光片拍攝的 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 [ 4 ]

GHZ2 的紅移略小于 GLASS-z13，因此未引起媒體轟動。可見這個領(lǐng)域已經(jīng)內(nèi)卷到相當驚人的程度了。

我們可以預(yù)見的是，此后天文學家根據(jù)韋布得到的數(shù)據(jù)去尋找更高紅移星系的競爭會不斷白熱化、更加內(nèi)卷化，新的距離會不斷刷新舊的紀錄。這種競爭與內(nèi)卷對于人類認識可見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：不同時代、不同望遠鏡能夠探測到的宇宙的深度。下方粉紅色標記的是紅移（redshift），白色字標記的是對應(yīng)紅移處的宇宙年齡，以 10 億年為單位。韋布的觀測目標是紅移為 20、宇宙年齡僅 2 億年的時代的星系與恒星。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)瓦大學天文系與丹麥根本哈哥大學玻爾研究所。

[ 注 3 ] 雖然不同的宇宙學參數(shù)會導(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。