我們宇宙的年齡大約為138億年，而北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所江林華領(lǐng)銜的國(guó)際團(tuán)隊(duì)確認(rèn)了一個(gè)星系遠(yuǎn)在134億光年外，是人類至今發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)天體。

這意味著，這個(gè)名為GN-z11的星系在宇宙大爆發(fā)后約4億年就已經(jīng)形成，它發(fā)出的光經(jīng)歷了134億年的穿行才抵達(dá)地球上的望遠(yuǎn)鏡，十分古老。該成果對(duì)理解宇宙早期星系和恒星形成有重要意義，為研究宇宙極早期天體打開(kāi)了一扇窗口。

兩篇相關(guān)論文于12月14日發(fā)表在《自然-天文》（Nature Astronomy）雜志上。

遙遠(yuǎn)與古老

正如美劇《生活大爆炸》主題曲的歌詞開(kāi)頭，宇宙一度又火熱又稠密，大約140億年前終于爆了炸。大爆炸后約38萬(wàn)年，光子和重子物質(zhì)退耦，質(zhì)子和電子結(jié)合成穩(wěn)定的中性氫原子，宇宙中暫時(shí)沒(méi)有了發(fā)光物體，陷入一段“黑暗時(shí)代”，直到大爆炸后約1.5億年，宇宙大尺度結(jié)構(gòu)在暗物質(zhì)作用下開(kāi)始顯現(xiàn)，帶來(lái)了第一代恒星的誕生。第一代星系則在之后的1億年左右形成。這些天體發(fā)出的光子電離了附近的中性氫，重新“點(diǎn)亮”宇宙，即宇宙再電離。

這些早期天體發(fā)出的“第一縷曙光”，是宇宙歷史學(xué)家們非常感興趣的研究對(duì)象。但是，地球上時(shí)時(shí)刻刻都在接收宇宙中四面八方來(lái)的光，如何知道哪些光是“新”的，哪些光是“老”的？

生活中有這樣一個(gè)有趣的現(xiàn)象：當(dāng)一輛救護(hù)車?guó)Q著笛由遠(yuǎn)及近向你迎面駛來(lái)的時(shí)候，你會(huì)聽(tīng)到警笛聲變響，音調(diào)變高；而當(dāng)車從近而遠(yuǎn)離去的時(shí)候，聲音變輕的同時(shí)，音調(diào)變低。物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化，這就是“多普勒效應(yīng)”。

光波在宇宙膨脹的影響下，也會(huì)出現(xiàn)類似的“紅移”效應(yīng)。要知道，在可見(jiàn)光中，紅光的波長(zhǎng)是最長(zhǎng)的，向光譜的紅端移動(dòng)，就意味著波長(zhǎng)變長(zhǎng)。通過(guò)測(cè)量光的紅移（通常記為z），科學(xué)家們可以判斷星系的年齡。

紅移數(shù)值越大，星系就越古老，距離也越遙遠(yuǎn)。大爆炸后38萬(wàn)年對(duì)應(yīng)著紅移1100左右，而大爆炸后4億年對(duì)應(yīng)著紅移11左右。這個(gè)星系名為GN-z11，其實(shí)就是紅移11的意思。

紅移11

早在2016年哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)GN-z11的時(shí)候，就通過(guò)圖像初步判定它的紅移可能達(dá)到了10以上。哈勃的近紅外觀測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)一處紅移值約為11.09的斷裂。不過(guò)，此前國(guó)際上普遍認(rèn)為，現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡很難測(cè)量出該星系的準(zhǔn)確紅移值，需等待詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡等下一代旗艦平臺(tái)。

要知道，即使不考慮星系的亮度因距離增加而呈平方反比衰減，在同等距離下，一個(gè)紅移11的星系亮度也要比紅移0的同樣星系暗上144倍。

與此同時(shí)，古老的光波在宇宙膨脹的因素下早已紅移到了波長(zhǎng)比紅光還要長(zhǎng)的紅外波段，而地球本身就是個(gè)巨大的紅外污染源，要讓望遠(yuǎn)鏡探測(cè)紅外光，就好像戴著眼鏡在蒸籠里看東西一樣。

2017年4月，江林華團(tuán)隊(duì)利用世界上最先進(jìn)的地面紅外望遠(yuǎn)鏡之一——夏威夷山上十米口徑的凱克（Keck）望遠(yuǎn)鏡，對(duì)GN-z11進(jìn)行了深度光譜觀測(cè)，基于光譜分析出該星系的準(zhǔn)確紅移為10.957，證實(shí)其為134億光年之外的星系。

這項(xiàng)工作表明，現(xiàn)有大型天文設(shè)備有能力探測(cè)到部分像GN-z11這樣的早期星系的光譜。

最古老伽馬暴？

當(dāng)然，下一代紅外天文觀測(cè)設(shè)備有望對(duì)GN-z11這樣的星系進(jìn)行深入理解，甚至是GN-z11的前輩星系們。

原來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)不僅從光譜中讀出了準(zhǔn)確紅移，也讀出了其他信息。光譜顯示有三條發(fā)射線，由碳和氧的二次電離氣體發(fā)出，表明該星系中已有豐富的非氫非氦元素。宇宙中一開(kāi)始只有氫元素，隨著演化進(jìn)程逐漸聚變出更重的元素。這個(gè)信息說(shuō)明，GN-z11并非宇宙中第一代星系。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還探測(cè)到來(lái)自該星系方向的一次爆發(fā)，呈現(xiàn)為一明亮的近紅外光譜。這個(gè)星系在不到3分鐘的短短時(shí)間里，亮度似乎增長(zhǎng)了數(shù)百倍。經(jīng)詳細(xì)分析，基本排除該爆發(fā)信號(hào)來(lái)自地球上人造物體和太陽(yáng)系天體等來(lái)源。

理論計(jì)算表明，該光譜可能本來(lái)來(lái)自于GN-z11的一次伽馬暴（伽瑪射線是一種波長(zhǎng)很短、能量很高的光波），為伴隨該伽馬暴的紫外輻射。

伽馬暴是宇宙中最為劇烈的爆發(fā)形式，極其罕見(jiàn)。目前，人類已知最古老的伽馬暴發(fā)生在宇宙大爆炸后5億年左右。若GN-z11光譜上的這一“驚喜”成立，江林華就在發(fā)現(xiàn)最古老、最遙遠(yuǎn)星系的同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)了最古老、最遙遠(yuǎn)的伽馬暴。




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