為甚麼我們能看見宇宙？如何驅散宇宙迷霧？發現的最遙遠星系

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡為我們揭開了前所未見的宇宙圖景。 它不僅能夠探測更遙遠的星系,還能追溯到更古老的年代, 用紅白視野穿透宇宙的迷霧,帶來波長更長的光芒。 然而,韋伯望遠鏡的使命並不僅僅是呈現震撼人心的影像, 而在於回答隱藏在這些畫面背後的根本問題。 今天的宇宙遍佈著恆星和星系,我們輕易便能捕捉到它們的光。 但在最初,宇宙並沒有星光,只有中性原子瀰漫其中, 整個空間漆黑一片,科學家們稱之為宇宙的黑暗時代。 那麼,究竟是什麼力量讓這些原子重新電力, 點燃第一批恆星,使得宇宙從黑暗走向光明? 而韋伯望遠鏡正是解開這一謎題的關鍵。 簡單的答案當然是恆星,宇宙最終形成了足夠多的恆星, 釋放出足夠數量的高能光子,使得大部分中性原子重新電力, 從而讓星光得以自由穿越宇宙空間。 但這些恆星分佈在何處,它們屬於哪些類型的星系, 它們究竟在何時形成,並推動了這一被稱為在電離的過程。 這正是詹姆斯、韋伯太空望遠鏡的核心科學目標之一。 自其於2022年正式進入科學運行以來,我們正逐步接近答案。 研究顯示,微小而常見的年輕星系, 很可能是讓宇宙對星光透明的主角。 接下來,我將講述宇宙在那個關鍵時期發生了什麼, 以及我們如何得知這些信息。 當我們思考遙遠的宇宙時,腦海中常浮現深長圖像, 有最強大的太空望遠鏡捕捉的滿天星海, 看似無盡的恆星與星系, 似乎只受限於觀測時間和儀器能力。 然而事實並非如此。 恆星與星系並非均勻分佈,即使給我們無限的觀測時間, 也無法看到來自宇宙所有區域的光。 原因在於恆星只會在物質足夠密集, 能在引力作用下攤縮的區域形成。 這種過程遵循宇宙網狀結構, 高密度區域吸收周圍物質並不斷增強, 而我們的探測能力也受制於儀器本身。 例如,哈勃望遠鏡無法探測兩微米以上的波長, 因此看不見最遙遠、最早期星系的光芒。 更重要的是,早期恆星最初被中性原子所包圍, 宇宙大爆炸約三十八萬年後, 隨著溫度下降,質子與電子結合形成中性氫, 幾乎所有原子都處於中性狀態。 這些中性原子極易吸收星光, 因此只有當高能光子開闢出一條透明通道時, 我們才能真正看到恆星的光。 隨著引力聚集物質, 密度最高的區域收縮、升溫並最終觸發核聚變, 點亮了宇宙的第一批恆星。 它們在生命週期中合成碳、氧、硅、鐵等更重的元素, 並通過超新星爆發將其拋撒入宇宙, 孕育了後續的恆星時代。 然而,在宇宙大爆炸後約五億年至十億年的時間裡, 中性原子仍普遍存在, 持續阻擋著大量星光。 宇宙之所以最終變得透明, 是因為有足夠多的高能紫外光子產生並電離了星系季節制。 因此,真正的問題是, 這些能夠讓宇宙再電離的紫外光子究竟來自何處? 這正是微波望遠鏡試圖回答的核心科學謎題。 如果說哈勃望遠鏡展示了宇宙的外貌, 那麼比它晚發射31年的詹姆斯, 微波望遠鏡則揭示了宇宙演化的過程。 微波在多個方面超越了哈勃, 它的主鏡直徑為6.5米, 是哈勃的2.7倍,極光面積接近7倍, 因此能更快收集微弱的光。 哈勃需要一個月的深長觀測, 微波只需四天即可完成。 更重要的是, 微波運行在距離地球約150萬公里的拉格朗日點, 溫度僅約40開爾文, 而哈勃在近地軌道保持約200開爾文, 這讓微波能夠探測更長波長的紅白光, 捕捉更高紅移、更古老的星系。 此外,微波還配備了更先進的科學儀器, 覆蓋更廣的波長範圍、更高的靈敏度, 並能精準測量特定的發射線。 對理解在電離時代至關重要的一點, 是它能識別出具有雙電離氧發射特徵的星系。 星堡星系,那些橫行行程率極高的年輕星系, 會釋放大量紫外光, 部分光子甚至能逃逸至星系際空間。 正是這些光,可能為在電離提供了關鍵能量。 因此,尋找並研究這些早期, 富含雙電離氧特徵的星系, 正是詹姆斯、微波太空望遠鏡 揭示宇宙透明化奧祕的關鍵路徑。 在臨近宇宙中, 我們可以在許多極熱的電離區域中觀測到雙電離氧的特徵。 同樣,我們也能在實驗室中測試和測量這種離子的光譜, 並確定它會發射一系列特定的譜線, 最強的是500.7奈米, 其次是495.9和493.1奈米。 事實上,他們最初並非通過實驗室實驗發現, 而是早在19世紀60年代, 就在垂死類太陽橫行周圍的電離區中被識別出來。 這些譜線固定而獨特, 使我們不僅能在臨近宇宙中通過相同波長識別這些特徵, 還能在遙遠宇宙中藉助其被宇宙膨脹拉伸而發生的紅移進行探測。 這正是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發揮優勢的地方。 韋伯望遠鏡不僅配備了寬帶和中波段濾光片, 還擁有窄帶濾光片,可以鎖定特定的光學特徵。 其中一個關鍵特徵便是雙電離氧在靜止系下500.7納米的發射線, 隨著紅移的增加,它會被拉伸到更長的波長。 例如,在紅移約為7的星系中, 這一譜線恰好落入JWST即紅外相機的F410萬濾光片範圍內。 那麼,哪裡是進行這項觀測的理想地點呢? 答案是一個位於巨大星系團之後的視野。 EBO 2744就是早期JWST科學巡天的核心目標之一, 包括UNCOVER和JIS,這兩項巡天迄今發現了已知最遙遠的星系。 星系團本身距離我們約40億光年,質量極為龐大, 其引力透鏡效應會彎曲,放大並扭曲其後方星系的光, 使得極闇弱的天體也能被探測到。 這便是該區域至關重要的原因。 通過微薄望遠鏡對這一事也在多個波段的觀測, 我們能識別出極早期的星系候選體, 即便它們本質上非常黯淡,也能鎖定其光譜特徵。 研究人員隨後會重點關注那些具有雙電離氧強發射的天體, 並進一步進行詳細分析。 畢竟,如果在宇宙歷史最初約5.5億年的時期存在大量這樣的星系, 它們可能正是驅動宇宙在電離的能量源。 如果你聽說過JWST在極遠宇宙中的發現, 你或許聽說過那裡存在數量遠超預期的明亮早期星系, 它們被稱為小紅點。 這些星系雖然極為重要, 卻數量不足以解釋宇宙在電離的能量來源。 多數研究估算,它們僅能貢獻所需紫外光子的約5%, 即便在最樂觀的假設下也不超過20%, 這意味著在電離的主角另有其人。 因此,那些低質量、黯淡卻數量龐大的年輕星系成為最具吸引力的候選者。 Uncover合作組在2024年7月發佈的預印本中就報告在極小的視野範圍內, 識別出多達83個處於宇宙約5.5億年時的星系具有雙電離氧發射的跡象。 這些發現為揭開宇宙透明化的奧祕提供了關鍵線索。 這些星系對於宇宙在電離至關重要,原因有三。 首先,它們的數量極為龐大,如果它們能夠產生維持宇宙透明化所需的電離紫外光子, 那麼這一數量規模正好符合理論預期。 其次,這些雙電離氧發射星系的紫外光子逃逸分數被認為較高, 遠高於缺乏該特徵的星系,包括小紅點類星系。 第三,儘管它們體積小而緻密,但引力透鏡效應放大了它們的亮度, 使天文學家能夠對其中相當一部分進行光譜驗證。 在被測試的20個候選題中,全部20個均得到確認, 這表明觀測結果具有堅實的可靠性。 光譜學同時揭示了這些星系中其他元素的特徵, 包括氫、氦、氮、奶,以及氧在不同電離態下的發射線。 Uncover合作組的研究團隊提取了這些經引力透鏡放大的星系的雙電離氧譜線, 並結合詹姆斯、韋伯太空望遠鏡近紅外光譜儀的能力, 估算出這些星系能夠產生多少電離紫外光子。 他們在利用本地類比星系的觀測,推算出紫外光子的陶藝分數, 並由此計算出這些星系在早期所產生的總紫外光子量。 結果表明,這些闇弱的早期星系幾乎可以提供宇宙在電離所需的全部紫外光子。 這是一項突破性的發現。 在JWST發射之前,人們普遍認為質量最大、最明亮的星系是在電離的主力。 然而,事實證明,它們數量稀少,光子產額不足以讓宇宙對星光完全透明。 隨著我們能夠探測到更闇弱的早期星系, 一個新的答案浮現質量低、溫度高、恆星形成效率極高的小型星系, 它們的數量遠遠超過巨型星系。 過去,由於觀測靈敏度的限制,這類闇弱星系難以直接研究。 然而,通過詹姆斯、韋伯太空望遠鏡與星系團EBO 2744提供的銀粒透鏡效應相結合, 天文學家終於得以窺見這些早期星系的集體力量。 正是這些平凡卻數量眾多的年輕星系,而非最大、最明亮的明星星系, 共同發出了足夠的光子,驅動了宇宙的再電力過程。 也因此,我們今天才能看見一個光明而透明的宇宙。 上世紀50年代,科學家開始利用真正專業的天文觀測設備探索深空, 經過了70多年的發展後,人類對宇宙深度的認知已經比當時上升了幾個臺階, 在宇宙中能夠探測的範圍也在不斷擴大。 理論上來說,宇宙最大的可觀測半徑大約在465億光年左右, 不過因為技術原因,我們遠無法觀測到那裡的景象, 那麼目前人類能夠觀測到的最遠距離到了哪? 近日,一個國際天文研究團隊利用美國宇航局的微波空間望遠鏡, 觀測到了目前已知距離地球最遙遠的星系, 它在宇宙大爆炸後的3.25億年後形成, 發出的光經過135億年的奔波後纔到達我們附近的空間。 按照宇宙演化的進程來看,它幾乎是在宇宙的黎明時刻就誕生了。 我們的宇宙由一個起點演化來, 當下宇宙的所有物質都曾包含在那個密度無限大, 而體積又無限小的點中,在它爆炸的瞬間產生的時間和空間, 最初的宇宙像一鍋沸騰的粥,粒子在高溫中做快速運動又互相融合。 直到發生大爆炸後的30萬年,才開始逐漸形成中性原子, 並在引力的作用下舉成密度較高的氣體雲塊。 這一時的宇宙還是略微混沌的, 而我們此次觀察到的星系則正是在這樣的黑暗中孕育, 並同其他星系一起發出了第一縷光線,屬於宇宙中的原始星系。 這些星系中的恆星和現在有很大不同, 那時的恆星質量和體積更大,釋放的能量也更強, 因此組成的星系也往往會更加明亮, 這也使得在上百億光年的距離下,我們仍能觀測到它。 但測量它們的具體距離並不容易, 這類星系往往距離地球十分遙遠,常規的測距方法對它們並不適用。 在大尺度的範圍下,科學家會採用紅移的度量方法來估計距離, 紅移堪稱宇宙間的良天池,要理解紅移,還要從多普勒效應說起。 聲波的多普勒效應在我們日常中就可以注意到, 比如當救護車靠近我們時,鳴笛的聲音聽起來會更加尖銳, 而它遠離時,聲音又會逐漸變得低沉。 1942年,奧地利物理學家斯琴·多普勒約翰注意到了這個現象, 並發現它和聲波的長短有關。 當聲源靠近時,波長和頻率都會受到壓縮, 波長變短且頻率變高,反之就會波長拉長,頻率變低,導致聲音出現變化。 後來人們發現,不只是聲波存在多普勒效應,電磁波也一樣。 電磁波的多普勒效應表現在光譜的紅移和藍移, 我們能夠看到的可見光實際上是複合光, 由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色組成。 比如當我們把太陽光通過三棱鏡折射時,就能看到光的色散, 在整個光譜中,紅光的波長最長,紫光最短,同聲波的多普勒效應一樣。 當光源快速向觀測者移動時,光的波長和頻率也會發生變化, 靠近時光波變短頻率提高,整體向藍色端移動, 反之則光波變長頻率下降,光譜向紅色端移動。 1929年,美國物理學家埃德溫·哈勃在經過長期的觀測研究後發現, 那些距離地球很遠的星系幾乎都有紅移現象,並且越遠的星系紅移越明顯, 這說明那些星系都在遠離地球,且遙遠的星系遠離速度更快。 星系的遠離速度和紅移值具有線性關係,因此只要測量出紅移值就可以得出遠方天體的退星速度, 再通過哈勃定律就能得出我們與星系之間的距離。 紅移值越大,代表星系的退星速度越快,它們和地球的距離也就越遠。 研究人員本次關注的四個具有高紅移值的星系中, 有兩個由哈勃望遠鏡發現,它們的紅移值分別為10.38和11.58,這樣的紅移值雖然很大,但還不算最大的。 微波望遠鏡則發現了紅移值為12.63和13.2的星系, 正是後者和地球的距離達到了135億光年,相當於宇宙誕生約3.3億年後發出的光。 此次研究屬於微波空間望遠鏡高級系外巡天項目的一部分, 這項觀測的有效時長達到了28個小時,覆蓋了250個遙遠深空中的微弱星系, 該團隊將在2023年開展下一組觀測,找到更多遙遠的星系。 找到它們的意義不僅在於突破人類深空探索的極限, 更重要的還在於揭開宇宙起源的奧祕。 這些古老的星系能夠帶來宇宙形成初期時的重要信息,通過研究它們, 科學家可以進一步瞭解宇宙年輕時的樣子,並驗證我們現有的一些理論。 我們肉眼能看到的星空只是宇宙的冰山一角,科學家把它叫做可觀測宇宙, 它的直徑大約是930億光年,聽起來已經大到嚇人, 但別高興得太早,這只是我們目前能看到的那部分, 整個宇宙的真面目,還遠遠超出你的想像。 如果說宇宙是一片無垠的曠野,那麼可觀測宇宙就像是我們面前打開的一扇窗口。 我們之所以能瞭解宇宙,是因為有窗口讓我們看出去, 但這扇窗其實受限於時間、速度和空間。 我們今天所能觀測到的宇宙,其實是來自138億年前大爆炸之後發出的光, 經過漫長的旅程,恰好在今天到達地球。 這意味著,我們看到的最遠天體,是它們在138億年前的樣子。 由這些老光構成的視野範圍,就是所謂的可觀測宇宙。 不過這裡就出現了一個看似矛盾的問題。 如果光只走了138億年,為什麼我們能看到的宇宙竟然橫跨直徑約930億光年? 這聽起來是不是有點不可思議? 答案藏在宇宙本身的特性裡。 宇宙並不是靜止的,它一直在膨脹,而且是在加速膨脹。 當那些光子從遙遠星系出發時,它們並不是在穿越一個靜止的空間, 而是在一個不斷拉伸的彈性宇宙中前行。 就好像你朝一個方向奔跑,而前方的終點也在不斷向遠處移動。 在光向我們飛來的這段時間裡,遙遠的星系也在不斷遠離我們, 因此這些光穿越的距離被大大拉長。 雖然它們在時間上只傳播了138億年,但由於宇宙膨脹的影響, 它們起點與我們之間的空間距離已經被拉伸成半徑約465億光年的球體。 因此我們現在能觀測到的宇宙,是一個直徑約930億光年的巨大可觀測球。 需要注意的是,這個以地球為中心的球體,並不是說地球真的是宇宙的中心, 這只是從我們的視角出發,宇宙並沒有真正的中心。 你可能會接著問,既然宇宙還在不斷膨脹,那它外面又是什麼? 我們為什麼看不到更遠的地方? 這就要談到一個宇宙中最根本,也最令人沮喪的限制, 光速是信息傳播的極限。 在我們的宇宙中,沒有任何東西,無論是飛船、信號,還是時間本身,能比光更快。 因此,我們能夠看見多遠的地方,完全取決於光傳播到我們的時間。 換句話說,如果某個遙遠的星系發出的光還在途中, 尚未抵達地球,我們就根本無法知道它的存在。 這就意味著,無論宇宙有多大,只要超出了光能到達的範圍,我們就看不見。 目前,這個範圍的邊界就是半徑於465億光年的球體, 也就是我們前面提到的可觀測宇宙。 然而,事情還要複雜得多。 宇宙的膨脹並不是元素的,而是加速膨脹,這導致遠離我們的空間也在加速拉長。 在某些極遠的區域,空間膨脹的速度已經超過了光速。 這並不違反物理規律,因為並不是物體在運動,而是空間本身在擴張。 這帶來一個令人遺憾的事實,在這些區域,哪怕有再多星系,行星,甚至生命,它們發出的光也永遠無法抵達我們。 你可以把自己想像成站在一個巨大的夜間球場中央。 你手上拿著一盞手電筒,光線正在向四周擴散。 但無論球場有多大,光只能照到一定距離。 在那之外的黑暗中,無論隱藏著多少看臺,觀眾或景物,你都無法看見,因為光還沒來得及照亮那裡。 這就是我們面臨的宇宙極限,930億光年的直徑,成了我們認知宇宙的光之牢籠。 在牢籠之外,即使宇宙本身比可觀測宇宙還要大得多,甚至是無窮無盡的, 但光之牢籠之外的世界,註定與我們無緣。 說到這裡,你或許又會好奇,既然我們被光速的牢籠困在了可觀測宇宙之中, 那麼,在這道看不見、摸不著卻無法越過的邊界之外,究竟隱藏著什麼呢? 雖然科學家們無法用望遠鏡直接觀測到窗外的宇宙, 但基於現有的理論和推測,主流觀點大致有三種。 一、更多的宇宙結構。 很多學者認為,在可觀測宇宙之外,依然是無數的星系, 恆星、行星,甚至可能有和地球類似的生命。 我們現在看到的大約兩萬億個星系,其實只是冰山一角, 外面還有更多我們永遠無法觸及的空間和物質。 二、多重宇宙的奇幻設想。 另一種更為大膽的理論,來自於現代宇宙學中的多重宇宙假說。 根據宇宙暴漲理論,大爆炸後宇宙經歷了極短暫的指數級膨脹。 這個過程可能在宇宙的其他區域也發生,產生了宇宙泡泡。 我們所在的泡泡宇宙只是其中一個,外面可能還有無數我們無法感知的平行宇宙, 每一個宇宙都有自己的物理法則和歷史。 三、宇宙可能不是無限,邊界之外可能是折疊的維度。 還有一些極端理論認為,宇宙可能並不是無限的, 在某個尺度上,空間也許是封閉或折疊的,甚至可能跟高維空間相連。 就像地球表面看似無邊,其實是個球體,宇宙可能也有一種我們無法感知的邊界或迴路。 當然,這些理論目前更多停留在數學和哲學層面,還沒有直接的觀測證據。 儘管這些理論各有分歧,他們卻都指向了一個相同的真相, 我們一直在問宇宙的外面是什麼, 但可觀測宇宙的存在提醒我們,人類認知的邊界,並不是宇宙的邊界,而是我們能力的邊界。 那麼,可觀測宇宙之外會是什麼呢? 歡迎在評論區分享你的想法,感謝大家觀看,我們下期再見。