追踪宇宙最早的星光

在詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的第一张深空图像中，科学家们正在寻找遥远的星系

位于宇宙极为遥远的地方的恒星的光芒，必须穿越辽阔的宇宙空间才能到达地球，这往往需要数亿年。在这种情况下，天文学家们观察恒星时便只能看到遥远的过去，而无法观测当下正在发生的事情。

因此，当天文学家们使用迄今最先进的望远镜观测极为遥远的宇宙时，他们便成了真正的“时间旅行者”。

2012年，美国加州大学圣克鲁斯分校的天体物理学家布兰特·罗伯逊的研究团队，利用哈勃太空望远镜观测了一个十分遥远的星系。他们的研究表明，那是一个早期宇宙的星系，它发射出的星光大约是133亿年前照亮宇宙的，那时宇宙才刚刚诞生了4亿年。

很多人不相信这个结论。然而到了2022年9月，詹姆斯·韦伯太空望远镜也将镜头对准了那个星系，结果表明罗伯逊研究团队的结论是正确的，那星系的光确实非常古老，它来自宇宙大爆炸后的3.9亿年。

随着望远镜观测技术的日益进步，人们越来越清晰地认识到，类似的遥远星系并不少见。截至目前，詹姆斯·韦伯太空望远镜已经发现了数千个存在于早期宇宙的遥远星系，其中一些比天文学家们想象的更亮、更大和更成熟，这表明它们的成长速度也超过了人们的预期。

发现宇宙早期的星系

当人们借助望远镜将凝视宇宙的视线延伸到越来越遥远的星系时，他们实际上是在追踪宇宙中最早的星光。这样的观测工作，对于现在的天文学家来说已经不陌生了。

20世纪90年代，哈勃太空望远镜对一片看似空白的天空用长时间曝光的方式进行了深入观测，结果发现了大量早期的星系，其中的一些星系出现在宇宙只有10亿岁时，它们看上去很成熟，仿佛经历了多轮超新星爆发和新生恒星的诞生。这让天文学家们意识到，即使这样遥远的星系也不是宇宙中最早的星系，最早的星系一定比这种星系还要遥远。这表明，哈勃太空望远镜显然并不能把宇宙的故事彻底读完，要寻找宇宙中更早的星系，人们必须建造更先进的望远镜。

其实，哈勃太空望远镜的最初设计目的并不仅仅是追溯宇宙的起源，它还可以追踪紫外线、可见光和近红外线。当宇宙早期的这些星光到达地球时，它们发生了变化，被拉伸成了波长很长的红外线，乃至于哈勃太空望远镜也无法观测到它们了。这是因为宇宙在膨胀，在膨胀的过程中，宇宙中的一切都在相互远离。而当光源远离我们时，光也会被拉伸，光的波长变得更长，颜色也变得更红。

在天文学中，光的拉伸导致天体发射出的光看上去更红，这种现象被称为“红移”。红移是天文学家们衡量宇宙距离和年龄的一个指标。人们确定，当今的宇宙红移为0，红移1对应宇宙大爆炸后的60亿年，红移4对应宇宙大爆炸后的15亿年。1995年，红移4是哈勃太空望远镜能够探测到的最远距离。在接下来的20年里，望远镜的升级和新观测技术的出现，将纪录推进到了红移7，即宇宙大爆炸后的8亿年。2012年，科学家们将纪录推进到红移11.1，即宇宙大爆炸后的4亿年。

这些喜人的成绩，引发了天文学家们对遥远星系的探索热情。每个人都想找到红移更高、距离更远的星系，成为新纪录的创造者。

然而，时间到了2016年，追踪更遥远星系的工作却陷入了停滞状态，天文学家们已经将现有的技术发挥到了极致。打破停滞需要更先进的望远镜，这也成为詹姆斯·韦伯太空望远镜得以升空的动机之一。

20世纪90年代，哈勃太空望远镜用长时间曝光的方式拍摄的深空，显示了一些早期星系

穿越“黑暗时代”

天文学家们如此渴望寻找早期星系显然并不仅仅是为了创造纪录，因为他们知道，早期星系可以揭秘发生在宇宙婴儿期的一个关键事件——再电离。

宇宙大爆炸之后，宇宙便进入了膨胀和冷却的状态。大约37.2万年后，宇宙已经冷却到足以让电子、质子和中子结合成氢原子的程度。这种氢名为“中性氢”，呈现弥漫且不透明的状态。于是，宇宙便陷入了天文学家们所说的“黑暗时代”。

在黑暗时代的某个时期，宇宙的第一批恒星诞生了，它们在暗物质的帮助下开始聚集成星系。但由于中性氢的不透明性，天文学家们能够观察到的是宇宙在大爆炸约2亿年后再次变得透明。他们认为，在大爆炸后的数十万年里，宇宙已有过一次基本变得透明的过程，但那时没有恒星，宇宙是黑暗的，所以这是宇宙再次变得透明。科学家们推测，宇宙再次发生变得透明的情况，很可能是星系造成的。他们认为，早期星系中那些最年轻、质量最大的恒星发出的星光，有可能击落了星系间氢原子上的电子。由于氢原子失去了电子，宇宙再次变得透明，这就是再电离。对于这个过程，人们只能描述一个轮廓。对此，罗伯逊指出：“我们知道氢以某种方式被再电离，但这个过程是如何展开的，我们掌握的信息并不多。”

科学家们认为，对靠近再电离时代的星系进行一次地毯式搜索，他们便有望知道这个过程是如何开始的。因此，当詹姆斯·韦伯太空望远镜将第一批图像发回地球时，天文学家们迫不及待地从星系群中挑选出了最红的候选星系。于是，距离极远的候选者脱颖而出了，它们的红移分别达到10、13，甚至更高。罗伯逊对此评价道：“这些星系的距离惊人。这有点让人不敢相信。”

最终，罗伯逊的研究团队收集了4个光度红移高于10的星系的光谱，它们可能接近再电离时代的开始阶段。罗伯逊的研究团队声称，其中的一个星系创造了迄今已确认的最遥远星系的新纪录，其红移为13.2，距离宇宙大爆炸仅3.25亿年。

2023年4月，罗伯逊的研究团队发表在《自然天文学》上的论文声称，这些星系的大小和质量大约是银河系的百分之一，但它们形成恒星的速度非常快，这些新生恒星产生大量的电离辐射。这意味着这种星系很可能确实是宇宙中一种最早的“再电离媒介”。

詹姆斯·韦伯太空望远镜扫描的天空，显示了数百个星系，可追溯到宇宙大爆炸后6.5亿年以内（红点是最遥远的星系）

读懂完整的宇宙故事

除此之外，科学家们还发现，红移10周围的明亮星系比人们预期的要多。在天文学研究中，星系的亮度是星系质量和恒星丰度的指标，星系越亮，星系中存在的恒星就越多。

星系诞生于暗物质的暗晕中，暗晕的引力会吸引并聚集普通物质。宇宙学家们通过模拟和理论研究估算了当第一个星系形成时宇宙会出现多少暗晕，他们还了解了宇宙在最初的5亿年间，这些暗晕理应拥有的质量，以及其中究竟有多少质量最终会以氢和氦的形式存在。氢和氦是宇宙制造恒星的原材料，从理论上说，如果所有这些气体都变成了恒星，那么星系的质量就会很大，甚至达到太阳质量的100亿倍。然而，实际上，科学家们预计的早期星系的质量都小得多，因为他们知道，现代星系从未将所有气体都转化为恒星。

这些星系中有些为1亿个太阳质量，距离宇宙大爆炸仅3.3亿年。而大爆炸4.5亿年后，有些星系似乎就拥有了相当于10亿个太阳质量的恒星。在另一项观测中，詹姆斯·韦伯太空望远镜甚至发现2个星系似乎早在宇宙大爆炸3.5亿年后，就拥有了50亿个太阳质量。

那么，这样的情况说明什么呢？原来，宇宙中能诞生大量恒星的星系并没有我们事先认为的那样少，星系中的恒星也似乎在不长的时间内发展到了相当成熟的阶段。这就好比你原本以为在人类历史的早期只能发现一些原始简陋的村落，但你却意外地找到了功能齐全、形态完备的城市。这样的情况也令天文学家们困惑，它似乎在暗示我们此前对星系形成机制的理解是有问题的。

答案究竟如何？目前尚没有确切的回答。或许科学家们会在此后的研究中，发现一些星系的光并不是直接来自恒星，而是来自正在形成的恒星之间的气体。假若是这样，那一切就合理了，这意味着用望远镜观测如此遥远的星系时，实际上星系并不像看起来的那么大。

显然，未来的探索之路还十分漫长。但目前我们能肯定的是，早期宇宙的星系隐藏着无穷的奥秘。而追踪宇宙最早的星光是我们认识星系形成的第一步，它的最终目的就是了解我们的地球家园。对此，罗伯逊指出：“如果我们不研究红移10处的星系是如何形成的，那么我们就永远也无法读懂完整的宇宙故事…… ”