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探索最遥远的星系
文章来源:人民日报    发布时间:2022-06-10

  据《天体物理学杂志》近日发表的一项研究,一个国际天文学团队观测到了可能是迄今最遥远的星系,并命名为“HD1”。观测信号来自135亿光年之外,这意味着HD1诞生于宇宙大爆炸后约3亿年,是首批形成的星系。如果被证实,它将创造一个遥远星系的新纪录。

  仰望星河,我们在地球上肉眼看到的绝大部分星星都来自银河系。而对于浩瀚的宇宙来说,像银河系这样的星系至少有数千亿个。光线传播需要时间,来自越遥远星系的信号,产生的时期越早。研究遥远的星系就像观测者穿越到古代,去观看一场历史的现场直播,吸引着天文学家孜孜以求。

  现代天文学认为,宇宙始于约138亿年前的大爆炸,在那之后约38万年,膨胀的宇宙逐渐从高温致密的状态冷却下来,中性原子开始形成。这些原子气体进一步冷却,并在引力作用下聚集成团,慢慢形成第一代恒星和第一代星系,逐步演化至今。但天文学家还不确定的是,第一代天体具体形成的时间、物理性质、演化过程,以及对宇宙整体演化的影响等。通过搜寻越来越遥远的星系,天文学家获得了更多线索。在HD1被发现之前,最遥远星系的纪录由2016年发现的星系GN—z11保持,其信号来自宇宙大爆炸后约4亿年。

  这些遥远的星系是如何被发现的?由于宇宙在膨胀,离地球越远的星系相对地球而言退行速度就越快,导致其辐射的光被观测到时会产生明显的红移,即波长会比原本更长。红移为1代表着波长变长1倍,红移越大表示距离越远。天文学家可依此计算出星系的距离,以及观测信号产生时宇宙所处的年龄。

  而要精确确定一个星系的红移,天文学家需要获得该星系的光谱,然后通过测量光谱线波长的移动得出结果。原理不难理解,困难来自观测。通常,越遥远的星系越暗弱,需要用大口径望远镜等尖端观测设备长时间探测才可能发现。然而天空中暗弱的天体数目太多,像人口普查一样对每个暗弱天体拍光谱往往是不可能的,因此必须有效缩小探测范围。

  好在对天空拍照的成本比拍光谱要低得多,观测者可以事先对特定天空长时间曝光拍照,从图像中遴选出特定目标,然后再用望远镜资源对其进行光谱观测。一个最常用的办法是搜寻那些只在长波图像有信号的源,因为越高红移的星系,其信号在越长的波长处才能探测到。HD1就是这样脱颖而出的“候选者”:据介绍,HD1是从昴星团望远镜、英国红外望远镜、维斯塔天文望远镜和斯皮策太空望远镜等观测的约70万个天体中选出。随后,观测者用位于智利的ALMA毫米波望远镜对HD1“聚焦”,探测到了一个可能的谱线,红移值为13.27。

  需要强调的是,HD1的红移和距离仍有待进一步观测证实。2021年底发射的韦伯太空望远镜因在红外波段超高的灵敏度,将推动这一领域的革命性进步,可以拭目以待。

  “天高地迥,觉宇宙之无穷。”对于宇宙边界的好奇和追问古来有之。如今,科学理论的进步打开了更多观察宇宙的视角,先进的观测设备将人类的视界延伸至更远,正带我们不断接近这一问题的答案。

  (作者:王俊贤,中国科学技术大学天文学系教授)

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