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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,，帶領人類破解極早期宇宙的奧秘。 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。紅移是測量天體距離與年齡的最關鍵依據(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)?，顯示為吸收線。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,。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./~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。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領導的一個團隊在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,，韋布的中紅外設備（MIRI）是探測這些中紅外輻射的有力工具,。Naidu等人的論文于2022年7月19日被上傳到預印本網(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,。可見這個領域已經(jīng)內(nèi)卷到相當驚人的程度了,。我們可以預見的是,，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,。[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
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