探索最遙遠(yuǎn)星系的未解之謎，歐美在摩拳搽掌，中國(guó)仍缺席
已知最遙遠(yuǎn)星系及其中疑似伽瑪射線(xiàn)暴的藝術(shù)想象圖，圖片來(lái)源：北京天文館喻京川。
撰文 | 江林華（北京大學(xué)）
責(zé)編 | 韓越揚(yáng)、呂浩然
人們從未停止探索遙遠(yuǎn)宇宙的步伐，古往今來(lái)，人們不停在問(wèn)“宇宙有多大？”“宇宙有邊界嗎？”“最遠(yuǎn)的星星有多遠(yuǎn)？”。然而，由于技術(shù)條件的限制，這個(gè)步伐前進(jìn)的相當(dāng)緩慢。一百多年前，宏偉的經(jīng)典物理學(xué)大廈已具規(guī)模，相對(duì)論和量子理論也開(kāi)始閃亮登場(chǎng)，然而那時(shí)，人們對(duì)銀河系外的宇宙幾乎還是一無(wú)所知。
百多年后的今天，人們利用各類(lèi)大型望遠(yuǎn)鏡可以發(fā)現(xiàn)百億光年外的天體。而下一代太空望遠(yuǎn)鏡和地面巨型望遠(yuǎn)鏡將有望帶領(lǐng)我們?nèi)ヮI(lǐng)略宇宙大爆炸后產(chǎn)生的第一代星系。天文學(xué)和天體物理學(xué)正進(jìn)入另一個(gè)黃金時(shí)代，然而，中國(guó)仍可能缺席。
“四方上下曰宇，古往今來(lái)曰宙”，古人很久以前就開(kāi)始觀察日月星辰的變化，但千百年來(lái)，人們一直認(rèn)為我們（或地球）就是宇宙的中心。哥白尼的“日心說(shuō)”跨出了重要一步，讓人們開(kāi)始明白地球不是宇宙的中心。在隨后的三四百年間，隨著天文數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累，人們慢慢知道太陽(yáng)也不是宇宙的中心，甚至不在銀河系中心。
當(dāng)然，由于觀測(cè)手段或者說(shuō)是技術(shù)的限制，那時(shí)認(rèn)識(shí)宇宙的步伐非常緩慢。甚至在在一百年前那場(chǎng)著名的“大辯論”（Great Debate）中，一群著名的天文學(xué)家還在爭(zhēng)論銀河系是不是宇宙的全部[8]。
近半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，隨著射電技術(shù)和電荷藕合器件（CCD）等技術(shù)的出現(xiàn)，天文學(xué)的發(fā)展走上了快車(chē)道。在探測(cè)遙遠(yuǎn)的宇宙方面，人們對(duì)類(lèi)星體的探測(cè)跨出了第一步：1963年Maarten Schmidt證認(rèn)了一顆紅移為0.158的類(lèi)星體[6]，大約距離我們20億光年。類(lèi)星體是一類(lèi)最亮的活動(dòng)星系，能量來(lái)源于其中心的超大質(zhì)量黑洞（質(zhì)量從數(shù)百萬(wàn)至上百億太陽(yáng)質(zhì)量不等）。由于它們通常非常明亮，比較容易探測(cè)。在隨后的20年里，類(lèi)星體紅移記錄快速攀升，至80年代時(shí)已達(dá)紅移4左右。但是，探測(cè)那些遙遠(yuǎn)的、暗弱的多的普通星系就困難的多（早期發(fā)現(xiàn)的較高紅移星系都是射電星系，即另一類(lèi)活動(dòng)星系）。
根據(jù)目前的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，現(xiàn)在的宇宙年齡約為138億年。人們利用宇宙學(xué)紅移表示宇宙年齡和距離。紅移越大，距離越遠(yuǎn)，宇宙年齡越小。但它們的關(guān)系遠(yuǎn)非線(xiàn)性，宇宙年齡與紅移的關(guān)系見(jiàn)圖1。例如，紅移1對(duì)應(yīng)的宇宙年齡約59億年，已接近現(xiàn)在宇宙年齡的一半。對(duì)于紅移為1的天體，我們可以說(shuō)它距離我們79（=138?59）億光年，即光走了79億年。但由于宇宙同時(shí)在膨脹，根據(jù)宇宙學(xué)模型計(jì)算的實(shí)際距離約為111億年。盡管如此，人們（包括本文）還是經(jīng)常直接使用79億光年。為了避免誤導(dǎo)，本文盡量使用沒(méi)有歧義的宇宙年齡。
在幾年前我參加的一次會(huì)議上，一位研究高紅移星系的前輩Richard Ellis教授回憶說(shuō)，在90年代初的一次學(xué)術(shù)會(huì)議上，人們還在打賭將來(lái)能發(fā)現(xiàn)的星系最遠(yuǎn)能多遠(yuǎn)：有人選紅移1，有人選1.5，也有人選2左右。不久后，隨著哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）的升空和一些大型地面望遠(yuǎn)鏡的建成，人們開(kāi)始真正有能力去探測(cè)那些非常遙遠(yuǎn)的星系，而現(xiàn)在已知的最遙遠(yuǎn)星系紅移已達(dá)10以上（紅移10對(duì)應(yīng)的宇宙年齡為5億年左右）。
圖1：宇宙年齡與紅移的關(guān)系（注意它們的關(guān)系遠(yuǎn)非線(xiàn)性）。
宇宙大爆炸后38萬(wàn)年進(jìn)入所謂的“黑暗時(shí)代”，即沒(méi)有發(fā)光天體。在這“黑暗時(shí)代”末期，宇宙大尺度結(jié)構(gòu)在暗物質(zhì)暈作用下開(kāi)始顯現(xiàn)，早期恒星和星系逐漸開(kāi)始誕生。
理論和數(shù)值模擬表明，最早的恒星形成于大爆炸后約1~2億年（紅移20-30左右）；而第一代星系在隨后的1億年左右形成。同時(shí)，最早的超大質(zhì)量黑洞種子也開(kāi)始誕生和成長(zhǎng)。這些天體發(fā)出的電離光子重新“點(diǎn)亮”宇宙（電離星系際介質(zhì)中的氫），即宇宙再電離。
該電離過(guò)程持續(xù)數(shù)億年，結(jié)束于紅移6左右（即宇宙年齡~10億年），是宇宙演化的最重要時(shí)期之一。研究宇宙再電離和探測(cè)早期天體發(fā)出的“第一縷曙光”是下一代地面和空間巨型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡（如中國(guó)參與的國(guó)際三十米望遠(yuǎn)鏡TMT等）的主要科學(xué)目標(biāo)之一。在美國(guó)2010年天文十年規(guī)劃中，也將其列入三大優(yōu)先支持領(lǐng)域之一。
近年來(lái)，隨著哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）和地面大型望遠(yuǎn)鏡（如美國(guó)的Keck、歐洲的VLT、日本的Subaru）上儀器的更新?lián)Q代，大量的高紅移星系被發(fā)現(xiàn)（圖2）。例如，最近統(tǒng)計(jì)表明在HST的幾個(gè)深場(chǎng)中就有一千多個(gè)高紅移星系[1]（這兒指紅移大于6、或者說(shuō)宇宙再電離時(shí)期的星系）。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這些星系都是候選體，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^(guò)圖像測(cè)光的方法選擇出來(lái)的，而沒(méi)有經(jīng)過(guò)光譜證認(rèn)，其中不可避免的有前景天體的污染。
然而，光譜證認(rèn)這些高紅移星系非常困難：對(duì)于上述HST發(fā)現(xiàn)的大部分星系，即使利用下一代巨型望遠(yuǎn)鏡去證認(rèn)也極具挑戰(zhàn)。唯一的例外是，如果星系有強(qiáng)發(fā)射線(xiàn)，那么光譜證認(rèn)就相對(duì)容易。當(dāng)然，具有強(qiáng)發(fā)射線(xiàn)的星系比例較小。對(duì)于中高紅移星系，通常唯一利用的發(fā)射線(xiàn)是氫的Lyα發(fā)射線(xiàn)，這是紫外波段最強(qiáng)的發(fā)射線(xiàn)，且比別的線(xiàn)強(qiáng)很多。但對(duì)于紅移大于7的星系來(lái)說(shuō)，最大的問(wèn)題是，所觀測(cè)到的Lyα發(fā)射線(xiàn)隨著紅移的上升快速下降直至消失。原因是星系際介質(zhì)中的中性氫通過(guò)一種機(jī)制將視線(xiàn)方向上的Lyα發(fā)射線(xiàn)稀釋掉。所以，光譜證認(rèn)更高紅移的星系幾乎沒(méi)有高效的方法。
圖2：哈勃超深場(chǎng)部分天區(qū)。圖中大部分天體都是非常遙遠(yuǎn)的星系。圖片來(lái)源：https://hubblesite.org/。
目前，人們已知的最遙遠(yuǎn)星系一般認(rèn)為是GN-z11。GN是HST GOODS-North深場(chǎng)的簡(jiǎn)寫(xiě)，而z11意味著紅移11左右。其實(shí)人們開(kāi)始利用HST多色成像數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該星系在紅移10左右，簡(jiǎn)稱(chēng)GN-z10。隨著HST數(shù)據(jù)的積累，慢慢發(fā)現(xiàn)它的紅移可能更高。最后P. Oesch等人[5]利用HST拍攝了很深的無(wú)縫光譜，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)疑似的連續(xù)譜跳變，表明紅移可能在11左右。
那是2016年的事，我那時(shí)想，也許可以利用地面大型望遠(yuǎn)鏡嘗試去探測(cè)該星系另外幾條紫外發(fā)射線(xiàn)。2017年，我們與合作者，日本的N. Kashikawa教授利用美國(guó)的10米口徑Keck望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了合作觀測(cè)，觀測(cè)很順利，觀測(cè)條件也非常好，我們一共觀測(cè)了7個(gè)多小時(shí)，實(shí)際在GN-z11上的積分時(shí)間為5個(gè)多小時(shí)。獲得數(shù)據(jù)的第二天，P. Oesch就迫不及待地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了快速處理，他在發(fā)給我的郵件中說(shuō)，我們探測(cè)到了兩條發(fā)射線(xiàn)。
隨后，我們團(tuán)隊(duì)的兩位成員分別進(jìn)行了獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理，得出了一致的結(jié)論，即探測(cè)到了三條發(fā)射線(xiàn)，表明GN-z11在紅移10.957，對(duì)應(yīng)的宇宙年齡為4億年左右，也就是134億光年外（算上宇宙膨脹應(yīng)該是320億光年外）。這證實(shí)了該星系其為已知最遙遠(yuǎn)星系，也是最遙遠(yuǎn)天體[2]。
圖3：我們利用Keck拍攝的GN-z11的部分光譜。上面兩圖分別為二維圖像和對(duì)其平滑后的圖像。下面兩圖分別是與上面兩圖對(duì)應(yīng)的一維光譜。通過(guò)其中最強(qiáng)的一條發(fā)射線(xiàn)可以計(jì)算出GN-z11的紅移為10.957。
該發(fā)現(xiàn)的意義是多方面的。人們執(zhí)著于探索那些最遠(yuǎn)的天體、最亮的超新星、質(zhì)量最大的黑洞、最強(qiáng)的磁場(chǎng)等，不只是因?yàn)椤白睢弊治矍颍谟诳茖W(xué)意義。GN-z11其實(shí)本身很亮（相對(duì)于那時(shí)的星系來(lái)說(shuō)），只是由于遙遠(yuǎn)的距離而顯得很暗。人們?cè)欢葢岩稍谌绱嗽缙诘挠钪婺芊翊嬖谌绱舜?/span>（亮）的星系。
我們的結(jié)果表明GN-z11確實(shí)存在于宇宙早期，是一個(gè)活躍的恒星形成星系。我們探測(cè)到的發(fā)射線(xiàn)由碳和氧的二次電離氣體發(fā)出，說(shuō)明該星系中已有豐富的金屬成分（指非氫和氦元素），意味著該星系不是宇宙中第一代星系，即幾乎沒(méi)有金屬成分的星系。這同時(shí)也表明第一代星系的出現(xiàn)應(yīng)遠(yuǎn)早于紅移11。我們的結(jié)果還表明現(xiàn)有大型天文設(shè)備有能力探測(cè)到部分早期星系的光譜，這其實(shí)出乎很多人的意外。但對(duì)中國(guó)學(xué)者來(lái)說(shuō)意義不大，因?yàn)槲覀兩腥狈︻?lèi)似的設(shè)備。
我們?cè)?017年觀測(cè)GN-z11光譜時(shí)，還探測(cè)到來(lái)自該星系方向的一次爆發(fā)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)GN-z11-flash）。該爆發(fā)表現(xiàn)為一明亮的近紅外光譜，持續(xù)時(shí)間短于三分鐘（圖4）。光譜包含明顯的大氣吸收成分，表明爆發(fā)信號(hào)來(lái)自地球大氣層外。這是一次不可思議的低概率事件，我和我的合作者及同事們?cè)谶^(guò)去的研究生涯中從未遇到過(guò)這種事情，即在觀測(cè)一個(gè)遙遠(yuǎn)星系時(shí)，在同樣位置觀測(cè)到一爆發(fā)或暫現(xiàn)源。
經(jīng)詳細(xì)分析，我們基本排除該爆發(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。我們進(jìn)一步的理論計(jì)算表明，該光譜可能來(lái)自GN-z11的一次伽瑪射線(xiàn)暴，為伴隨該伽瑪射線(xiàn)暴的（靜止坐標(biāo)下）紫外輻射[3]。遺憾的是，在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)現(xiàn)有伽瑪射線(xiàn)衛(wèi)星沒(méi)有觀測(cè)該天區(qū)或探測(cè)深度不夠。不可否認(rèn)，在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)GN-z11發(fā)生伽瑪射線(xiàn)暴的概率極低，但來(lái)自其它已知信號(hào)源的概率更低。若伽瑪射線(xiàn)暴解釋成立，那么這是目前人類(lèi)已知的最遙遠(yuǎn)天體爆發(fā)，表明宇宙大爆炸后4億年左右宇宙就可能大量產(chǎn)生伽瑪射線(xiàn)暴。
圖4：GN-z11-flash爆發(fā)二維光譜圖。從上到下顯示的是連續(xù)五次三分鐘曝光圖。在第三幅圖編號(hào)為ID209的中間兩條顯示的是GN-z11-flash的連續(xù)譜。
該發(fā)現(xiàn)發(fā)表后受到了國(guó)際同行和媒體的大量關(guān)注，也毫不意外地受到了一些質(zhì)疑[4,7]。這些質(zhì)疑主要聚焦于GN-z11-flash很可能來(lái)自于人造衛(wèi)星，因?yàn)槲覀兘?jīng)常在天文圖像上看到人造衛(wèi)星留下的長(zhǎng)長(zhǎng)印跡。但這些質(zhì)疑文章沒(méi)有深入分析我們觀測(cè)的時(shí)間、地點(diǎn)、天區(qū)、衛(wèi)星特征、光譜特征等重要信息。例如，人造衛(wèi)星靠反射太陽(yáng)光才可見(jiàn)，大部分衛(wèi)星是中低軌衛(wèi)星，在我們觀測(cè)GN-z11-flash時(shí)處于地球的陰影，所以我們可以立刻排除這些衛(wèi)星。絕大部分高軌道衛(wèi)星是地球同步衛(wèi)星，在地球赤道上空，而GN-z11在高緯度，我們利用Keck望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)GN-z11時(shí)是不會(huì)看到這些高軌道衛(wèi)星的。我們還對(duì)比了衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(kù)，排除了所有已知衛(wèi)星。
當(dāng)然，我們無(wú)法完全排除在特定軌道上且不在衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(kù)里的衛(wèi)星或者衛(wèi)星殘骸。
但是，這些可能存在的衛(wèi)星要滿(mǎn)足GN-z11-flash的所有觀測(cè)特征，其概率微乎其微。例如，最近有人質(zhì)疑GN-z11-flash可能來(lái)自一衛(wèi)星殘骸，也被我們反駁了。需要指出的是，我們?cè)谖恼轮幸仓皇翘岢隽宋覀冋J(rèn)為最可能的解釋?zhuān)嫦辔覀兡壳斑€不知道。不過(guò)，如果GN-z11-flash是一類(lèi)罕見(jiàn)的天體現(xiàn)象，那么未來(lái)的大型巡天項(xiàng)目，如中國(guó)空間站光學(xué)望遠(yuǎn)鏡巡天等，定會(huì)揭開(kāi)其神秘面紗。
我們的上述結(jié)果表明GN-z11已經(jīng)是一個(gè)較大的、金屬成分較高的星系，也是目前已知的最遙遠(yuǎn)的星系。如果已知是正確的，那么第一代星系應(yīng)該存在于更高的紅移。第一代星系到底是什么樣貌還只是存在于理論或數(shù)值模擬中，但各國(guó)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始摩拳擦掌，希望不久的未來(lái)能揭開(kāi)其神秘面紗。
這主要?dú)w功于當(dāng)前建設(shè)中的下一代巨型望遠(yuǎn)鏡，包括美國(guó)的JWST太空望遠(yuǎn)鏡（即HST的繼承者）、25米口徑的巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡GMT、30米口徑的三十米望遠(yuǎn)鏡TMT（中國(guó)也加入了該項(xiàng)目）、歐洲39米口徑的極大望遠(yuǎn)鏡E-ELT?？茖W(xué)家們迫切希望通過(guò)這些望遠(yuǎn)鏡探測(cè)并理解宇宙中第一代星系、恒星、大質(zhì)量黑洞的種子黑洞等。由于技術(shù)條件的限制，中國(guó)以前基本遠(yuǎn)離該領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)賽。但未來(lái)將至，希望我們不再錯(cuò)過(guò)下一次探索宇宙極限的國(guó)際盛宴。
參考文獻(xiàn)：
“
簡(jiǎn)介
江林華
江林華，北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所研究員。主要研究領(lǐng)域是高紅移星系和類(lèi)星體。
”
制版編輯 | Morgan
