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卷出新高度：韦布空间望远镜发现破纪录的古老星系
The following article is from 返朴 Author 王善钦
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最近，天文学家宣布发现一个红移高达13的星系，当时的宇宙年龄约为3.3亿年。此前，保持纪录的是红移约为11的星系，它所处的宇宙的年龄约为4.2亿年。韦布将人类看到的最远星系往宇宙诞生时刻方向推进了约1亿年。这只是韦布的一个轻松的开端。我们可以预期的是，开了挂的韦布将在未来很短的时间内获得更大的突破，带领人类破解极早期宇宙的奥秘。
2022年7月12日，韦布望远镜（James Webb Space Telescope，简称JWST或“韦布”）得到的第一批图像在万众瞩目的盛况中被正式公布。这批照片不仅震撼了天文圈子里的专业人士，也震撼了圈外的众多吃瓜群众。
图：2016年，被拼装好的韦布的主镜以及被折叠的副镜与支架。丨图源：NASA
然而，一瓜未落，一瓜又起：7月20日，哈佛大学的天文学家领衔的一个合作小组宣布，他们在韦布拍摄的图像中发现了一个破纪录的星系：它在宇宙大爆炸后大约3.3亿年之后就已形成，是至今为止被发现的最古老的星系。
如何确定天体的红移？
这样取名是时代所限：100多年前的天文学家能够观测的波长基本上限于可见光，而可见光中红光的波长最长，蓝紫光的波长最短。因此其他颜色的可见光朝着红色一端移动，就是红移。随着观测波长范围的扩大，天文学家早已观测到红光朝着红外移动的现象。不过，根据惯例，这样的移动依然被称为“红移”，而不是“红外移”。我们只需要记住：“红移”泛指波长变长。
天体发出的光包含众多元素的原子发出的辐射。这些辐射由原子内的电子的跃迁导致，它们都有固定的波长。天体发出的部分光在前往地球的过程中，某些波段的辐射被自身大气或星际介质吸收后，强度变弱，显示为吸收线。
测量到的天体的光谱中，如果某种元素的某条吸收线的波长与实验室测出的波长不一样，就说明其产生红移或蓝移。将二者相减，再除以实验室测出的波长，就是红移或蓝移的值。
图：吸收线（图中暗线）发生红移的示意图。箭头表示谱线发生的移动。丨图源：Georg Wiora
例如，氢原子的电子从第2、3、4、5、6轨道跃迁到第1轨道（基态），发出的辐射的波长依次为121.57纳米、102.57纳米、97.254纳米、94.974纳米与93.780纳米，这就是著名的“莱曼线系”的前几条。这些线也分别被称为莱曼α线、莱曼β线、莱曼γ线，等等。如果我们观测到某个天体的莱曼α线的波长成为1215.7纳米，那么我们就可以将1215.7减去其实验室里测出的波长121.57，再除以121.57，得到的数字9就是红移的值。
一些遥远星系发出的辐射在穿过众多富含氢的星系际分子云时，里面包含的莱曼α线（以及其他莱曼线）会被分子云内的氢严重吸收，使其亮度出现断崖式的下跌，导致波长等于和短于莱曼α线的辐射的亮度远低于其他波长上的亮度。这样的星系被称为“莱曼断裂星系”（Lyman-break galaxies，LBG）。
观测到莱曼断裂星系后，将断裂处的波长测出，再与实验室中的莱曼α线的波长（121.57纳米）对比，就可以计算出其红移。实际上的操作当然要更复杂一些：通过模型拟合，得到其理论能谱，从而确定出莱曼断裂的具体波长，再计算其红移。
曾经的冠军：GN-z11
图：在GOODS北区域被观测到的GNz-11的放大图（小图）。这是由哈勃的ACS与WFC3得到的可见光与近红外线数据合成的图。丨图源：NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University)
2016年，耶鲁大学的天文学家Pascal Oesch领衔的团队结合哈勃与斯皮泽空间望远镜观测的图像，用哈勃的第三代宽场相机（WFC3）的棱栅光谱仪获得了位于GN观测区域内的这个星系的光谱。他们发现，这个星系能谱的断裂波长两侧的辐射流量比值低于0.32。[1]因此，它是一个莱曼断裂星系。
Oesch等人用莱曼断裂星系模板拟合它的能谱（见下图），确定出“莱曼断裂”处的波长约为1.47微米（1470纳米），得到其红移约为11.09。因为它的红移约为11，因此编号中就有了“z11”。
图：GNz-11的能谱拟合表明其红移约为11.09。暗红色线为使用“莱曼断裂星系”（LBG）模板拟合的理论上的能谱。向下的箭头表示观测的上限值。另外两个模型的拟合的品质都低得多，这排除了这个星系为低红移星系的可能性。丨图源：参考文献[1]
根据红移来计算星系的年龄，依赖于一些宇宙学参数。假设当前的哈勃常数为69.6，宇宙中物质的比例为0.286，暗能量的比例为0.714，那我们的宇宙的年龄为137.21年（见：https://www.astro.ucla.edu/~wright/CosmoCalc.html）。
在这样的宇宙中，红移为11的星系所在的宇宙的年龄为4.19亿年，其“寿命”至少为133.02亿年。
新纪录的保持者：GLASS-z13
图：GLASS-z13的伪色图像。丨图源：Naidu et al, P. Oesch, T. Treu, GLASS-JWST, NASA/CSA/ESA/STScI
GLASS-z13中的GLASS是 “空间棱栅透镜放大巡天”（Grism Lens Amplified Survey from Space）的英文缩写。GLASS项目观测了10个星系团及它们附近的10个空区域，其中一个星系团为Abell 2744，它也是著名的“哈勃边疆场”（Hubble Frontier Fields，HFF）当年拍摄的6个星系团之一。
图：哈勃边疆场项目得到的Abell 2744所在的天区（左）与该天区附近的“平行区域”的图像。丨图源：NASA, ESA, and J. Lotz, M. Mountain, A. Koekemoer, and the HFF Team (STScI)（左）；参考文献[2]（右）
韦布用近红外相机（NIRCam）拍摄Abell 2744所在天区及附近的天区内的星系的图像，并用近红外成像仪与无缝光谱仪（Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph，NIRISS）与近红外光谱仪（Near-Infrared Spectrograph，NIRSpec）获得天体的光谱。韦布得到的这些数据作为早期释放科学（early release science，ERS）数据之一被释放。这个项目因此被称为“GLASS-JWST-ERS”。
哈佛大学-斯密森天体物理中心（CfA）的Rohan Naidu领导的一个团队在GLASS-JWST-ERS得到的数据中确认了GLASS-z13 [注1]。必须提及的是，当年领衔团队确认GN-z11的Pascal Oesch也是这个团队的成员[注2]，名列相关论文的第二。
下图顶端的7幅小图为韦布的NIRCam对GLASS-z13的7个波段的观测。这7个波段的中心波长分别为0.9微米、1.15微米、1.5微米、2.0微米、2.27微米、3.56微米与4.44微米。在这些波段，NIRCam对GLASS-z13所在的天区的观测时间分别为3.3、3.3、1.7、1.5、1.5、1.7与6.6小时。[3]
图：韦布的NIRCam的7个滤光片拍摄的GLASS-z13的图像（上）、根据得到的数据获得的各波段流量密度（左下，不同波段的星等/流量构成能谱）与拟合得到的红移（右下）。向下的箭头表示观测的上限值。橙红色线为使用“莱曼断裂星系”（LBG）模板拟合的理论上的能谱。丨图源：参考文献[3]
从上图中的7个波段的观测图像可以直观地看出，波长较短的3个波段的图像中都没有出现GLASS-z13的图像，因此只能给出亮度的上限值。波长较长的4个波段的图像中出现了明显的星系图像，因此可以得到精确的亮度值。
将7个波段的亮度或上限精确值绘制到能谱的图中，就可以判断出GLASS-z13的“莱曼断裂”的波长的大致位置，它将处于1.5到2.0微米之间。Naidu等人用“莱曼断裂星系”（图中的“LBG”）模板拟合出理论能谱（上图中的橙色线），确定出这个星系的“莱曼断裂”的波长的具体值。
根据拟合图，我们可以看出：在略大于1.6微米（1600纳米）处，GLASS-z13的流量出现了断崖式的下跌，因此这个波长就是这个星系的莱曼α线的位置。如果我们粗略地将1.6微米（1600纳米）减去实验室中的莱曼α线的波长（121.57纳米），再除以后者，就可以得到其红移大约为12。实际上，因为它的断裂波长略大于1.6微米，最终得到的它的红移为12.4或13.1（采用不同模型，得到的值略不同）。
根据上面取定的宇宙学参数，红移为13的星系GLASS-z13所在的宇宙的年龄为3.32亿年，其“寿命”至少为133.88亿年，比红移为11的星系更古老约0.86亿年，接近1亿年。因此，我们可以说韦布已经很轻松地将人类看到的最远的星系往宇宙诞生时刻推了约1亿年。[注3]
根据模型拟合，GLASS-z13的质量很低，仅约为太阳质量的10亿倍。[3]作为对比，我们的银河系的质量约为太阳质量的1万亿倍。因此，GLASS-z13的质量仅为银河系质量的约千分之一。
模型还表明，GLASS-z13在当时的宇宙中的年龄已经存在约7100万年（上下误差分别为3200万年与3300万年）。[3]当时宇宙自身的年龄仅约为3.32亿年，因此它在宇宙诞生后约2.6亿年时就已诞生。
韦布探测到的GLASS-z13（以及其他红移达到10左右的高红移星系）的近红外辐射原本都是这些星系发出的紫外辐射。由于宇宙的膨胀，这些紫外线达到地球时，被拉长为近红外线。
以4.44微米波长的辐射为例，除以（13+1），就是0.317微米，即317纳米，属于近紫外线。更短波长的近红外线，除以同样的数值后，得到的是更短波长的紫外线。因此，只有那些紫外线辐射足够明亮的星系，才有可能被韦布探测到。
至于那些古老星系发出的可见光辐射，经过这么大的红移，到达地球时就已是中红外辐射，韦布的中红外设备（MIRI）是探测这些中红外辐射的有力工具。
卷出新高度
Castellano等人的论文也使用了GLASS-JWST-ERS释放的数据，从中确认了红移在9到15之间的一些星系，其中红移超过10的两个星系的红移的代号分别为GHZ1与GHZ2，它们的红移分别为10.6 与12.35。
Castellano等人也是采用“莱曼断裂”方法来确定断裂处的波长，从而确定出它们的红移。在韦布的NIRCam使用的7个滤光片中，较短波长的两个波段未探测到星系，另外5个较长波长的图像中探测到星系。Castellano等人据此用莱曼断裂星系的模板拟合出这些星系的红移，见下图。
图：韦布的NIRCam的7个滤光片拍摄的GHZ1（左）与GHZ2（右）的图像（上）与根据得到的数据获得的各波段星等图（下，不同波段的星等/流量构成能谱）。下图的小图内为拟合得到的红移。向下的箭头表示观测的上限值。图中显示出明显的莱曼断裂特征。丨图源：参考文献[4]
GHZ2的红移略小于GLASS-z13，因此未引起媒体轰动。可见这个领域已经内卷到相当惊人的程度了。
我们可以预见的是，此后天文学家根据韦布得到的数据去寻找更高红移星系的竞争会不断白热化、更加内卷化，新的距离会不断刷新旧的纪录。这种竞争与内卷对于人类认识可见宇宙的边疆是非常有益的。我们期待韦布今后有这方面的更大的突破出现，甚至发现第一代星系与第一代恒星。
图：不同时代、不同望远镜能够探测到的宇宙的深度。下方粉红色标记的是红移（redshift），白色字标记的是对应红移处的宇宙年龄，以10亿年为单位。韦布的观测目标是红移为20、宇宙年龄仅2亿年的时代的星系与恒星。丨图源：NASA, ESA
注释
[注1] 由于GLASS-z13位于Abell 2744所在天区，所以并不在韦布发布的第一张全彩图（SMACS 0723所在的天区）内。[注2] Pascal Oesch现在的单位是瑞士日内瓦大学天文系与丹麦根本哈哥大学玻尔研究所。[注3] 虽然不同的宇宙学参数会导致宇宙年龄年龄不同的具体值（137亿年到140亿年都有可能），但不同红移处的古老星系的年龄差异仅有非常轻微的变化。参考文献
[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：科普中国
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