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寫在詹姆斯·韋布“滿月”之后：我們找到最遙遠的星系了嗎？ | 賽先生天文

2022/09/07
導讀
淘金者們趨之若鶩，且待塵埃稍定，目及遠方

  • 導語：
去年圣誕節(jié)，人類最強“天空之眼”詹姆斯·韋布空間望遠鏡順利升空，開啟了觀測宇宙學新的一頁。經(jīng)過幾個月的調(diào)試，韋布所見也驚艷了世界。本期賽先生天文，作者先是“稀里糊涂”地進了韋布“滿月禮”的大名單，最后又對韋布的“終極目標”做了追問。正如作者所說，跨時代的韋布已經(jīng)逐漸進入狀態(tài)，那些激動人心的結(jié)果，也將在不遠的未來與我們見面。

撰文 | 孫鳳梧（亞利桑那大學）責編 | 王馨心、呂浩然

  • 稀里糊涂地進了“大名單”

2018年的時候，我還在北大天文系讀本科。當時的我正在申請國外的研究生，承蒙亞利桑那大學看得上我，給我發(fā)了錄取通知。我現(xiàn)在的導師江上英一（Egami Eiichi）跟我講：“來吧，你來了之后JWST（詹姆斯·韋布空間望遠鏡縮寫）就上天了，到時候數(shù)據(jù)一出來，有的是科研可以做。即便它再拖一年，你也可以先做做別的準備一下，比如說用地面上最大的望遠鏡——阿塔卡瑪毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）來研究遙遠的星系?！?/span>

我想了想，這種三十年一遇的大望遠鏡機會要是真能被我趕上，豈不美哉。所以，我就來到美國西南的索諾蘭沙漠里，讀起了天體物理研究生，如今已四年有余。

圖1：俯瞰亞利桑那大學天文系。圖片來源：亞利桑那大學天文系

后來的事情，想必諸位也能猜到大概：韋布的發(fā)射計劃一拖再拖，我只好做了快四年的ALMA。直到2021年12月25日圣誕節(jié)，它才從法屬圭亞那的庫魯航天中心發(fā)射升空。說來也是好玩，我們打印機室的房門密碼是某次原定的韋布發(fā)射日期，我覺得這個加密程度剛剛好——熟悉韋布的人總能記住幾個日子，然后通過枚舉法試驗出來。

圖2左：全世界最大、最昂貴的地基天文臺——阿塔卡瑪毫米波/亞毫米波陣列（ALMA），由66面天線組成、建成時耗資14億美元；右：全世界最大、最昂貴的太空天文臺，詹姆斯·韋布空間望遠鏡在星艦分離時的照片。圖片來源：NRAO; Arianespace, ESA, NASA, CSA and CNES

今年四月底，我們系負責的韋布望遠鏡近紅外相機（NIRCam）的廣域無縫光譜模式（Wide-Field Slitless Spectroscopy）的調(diào)試/驗收團隊缺人手，江上又跟我講：“反正你畢業(yè)課題做得也差不多了，來幫忙搞搞儀器的驗收吧，畢竟你之前做過數(shù)值仿真，比較熟悉儀器。”于是我就這樣稀里糊涂地成為了系里唯一一個參與了韋布驗收工作的研究生，當然可能也是整個韋布驗收團隊里唯一的、還沒拿到博士學位的研究生。七月十二號，美國國家航空航天局（NASA）和太空望遠鏡研究所（STScI）召開發(fā)布會，在公布首批數(shù)據(jù)圖像的同時，也發(fā)布了一份六百余人合作的望遠鏡科學表現(xiàn)評估報告，我很榮幸作為團隊中的一員，出現(xiàn)在了文章的某個不起眼的角落。

  • 為什么韋布堪稱“跨時代”？

從那時起，韋布望遠鏡已經(jīng)度過了其開始正?？茖W觀測的第一個月，海量的數(shù)據(jù)被源源不斷地從地球之外150萬公里的地日系第二拉格朗日點傳了回來。韋布望遠鏡是一臺跨越時代的儀器，這不僅源于它幾十年的準備周期、超過百億美元的資金消耗、成千上萬人參與的建造團隊、前所未有的技術指標，更在于它的觀測與數(shù)據(jù)分享的模式：

1. 即便望遠鏡仍在地面，還沒有獲取任何科學數(shù)據(jù)，其在線的用戶文檔、曝光模擬器就已經(jīng)構建得相當完備；

2. 如此復雜的一臺空間望遠鏡，其調(diào)試/驗收時間被壓縮到了短短六個月。在最緊張的儀器驗收階段（今年4-6月），各臺儀器輪流觀測、分頭推進，最后產(chǎn)生的觀測數(shù)據(jù)全部公開；

3. 對于以往的很多望遠鏡，用于驗證望遠鏡科學性能的早期釋放觀測（Early Release Observation, ERO）往往由儀器建造團隊牽頭進行，其數(shù)據(jù)由所謂的保證觀測時間團隊（Guarantee Time Observation; GTO）進行處理、發(fā)表與公開。而韋布望遠鏡的ERO則由STScI和NASA牽頭，并在發(fā)布會后向全世界的天文學家同步公開。在7月12號公開日之前，就連我們的儀器團隊都對具體拍攝結(jié)果一無所知；

4. 最后，包括一批早期釋放科學（Early Release Science, ERS）觀測項目和一部分普通觀測者（General Observer, GO）的觀測項目在內(nèi)，相當多的科學數(shù)據(jù)只要傳輸?shù)降孛?，就立即向全世界公開。與此相反，以往望遠鏡所產(chǎn)生的絕大多數(shù)觀測數(shù)據(jù)都有12個月的保護期，在此期限中，只有申請觀測的團隊才能夠拿到這些數(shù)據(jù)，可謂“肥水不流外人田”。


完備的用戶文檔、超高的數(shù)據(jù)質(zhì)量和前所未有的快速數(shù)據(jù)公開流程共同造就了韋布望遠鏡的“淘金熱”——當白宮截胡了STScI的首張深場照片，并由拜登主持了首場科學圖像發(fā)布會時，世界各地的天文學家都透過一個編號為SMACS0723的引力透鏡星系團，看到了以往從未曾見過的遙遠宇宙。

超高的分辨率和極低的噪聲使得分辨星系團中暗弱的矮星系、球狀星團成為可能；透過人眼所不能見的紅外光，我們看到了遙遠的、飛速膨脹的宇宙中一個又一個的暗弱星系。同時，引力透鏡將其放大、拉伸，使得它們超出了原本的亮度，就如你案前的放大鏡所做到的那樣。將一粒沙子放在掌心，伸開手臂觀察，這就是這片星系團在地球上所能看到的大小。而這片小小的、只花費了韋布望遠鏡半天時間的觀測，卻成為了天文學家對新時代的觀測宇宙學的初見。

圖3：2022年7月11日由白宮搶先發(fā)布的，由韋布望遠鏡拍攝的SMACS0723深場照片。星芒狹長銳利的天體為銀河系中的恒星，其余的均為遙遠的背景星系，它們大多距離我們幾十至一百余億光年。圖片來源：NASA, ESA, CSA, and STScI

  • 韋布最重要的任務

遙遠的宇宙藏匿在紅外光之中。一個世紀以前，埃德溫·哈勃向我們揭示了一個膨脹的宇宙，在空間的膨脹之下，宇宙中的幾乎一切都在逐漸遠離彼此。在更為遙遠的宇宙中，星系遠去（退行）的速度也更大，有些甚至看起來超過了光速，使得我們今日的信息再也無法抵達如此遙遠的地方。這也使得我們在可見光里可見的幾乎一切，都因多普勒效應而發(fā)生了紅移，最終隱藏在了紅外波段。至于紅外波段對茫茫星塵更強的穿透力，那便是后話了——總之，對于天文學中的已知和未知，我們都可以試圖在紅外光中找到蹤跡。

一千個讀者有一千個哈姆雷特，一千個天文學家也有一千個韋布望遠鏡。盡管我也會為最近韋布探測到系外行星大氣中的二氧化碳而感到振奮，但作為一個對宇宙深處更感興趣的人，我還是覺得：韋布最重要的任務，莫過于為我們揭示最遙遠的星系。

在靜止系波長121.6納米的地方，有一條氫原子從基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)的躍遷譜線被稱為萊曼α線。因為高紅移宇宙更高的中性氫密度，比這條譜線更藍的光子會被氫原子吸收、散射，使得星系原本接近平整的光譜出現(xiàn)巨大的斷崖。因此，這一特征便被進一步用來篩選高紅移星系。而真正的認證則需要通過光譜觀測，識別星系中的一些發(fā)射或吸收特征的來源（氫、氦、碳、氧等元素），從而確定星系的紅移，得知它們的遠近。打一個粗略的比方，這里“篩選“和”認證“的差別，大致如防范新冠時的掃碼測溫和核酸檢測——哪個更準確、更昂貴，相信讀者一眼便知。

圖4：2022年7月12日韋布望遠鏡圖像發(fā)布會上展示的一條來自于紅移8.5的星系的光譜，其中氫（Hydrogen、紅色）、氧（Oxygen、藍色）、氖（Neon、綠色）的譜線清晰可見。這些譜線的存在確鑿地說明這個星系發(fā)出的光來自于131億年以前。圖片來源：NASA, ESA, CSA, and STScI

在韋布上天之前，最遙遠的有光譜認證的星系是由北京大學江林華老師的團隊確認的，這個被稱為GN-z11的不起眼亮點，它的紅移足足有11之多，這也就是其編號中z11的來源。在宇宙大爆炸后的4億年，這些星系中的微不足道的一部分光在空間中穿行了足足133億年才到達了太陽系，并被人類的望遠鏡所記錄下來。之后，日本學者播金優(yōu)一（Harikane Yuichi）的團隊聲稱找到了紅移13的星系，不過其光譜在我看來置信度不夠高。當然，江老師指導了我的本科畢業(yè)論文，這也許是我覺得GN-z11更可靠的原因之一（笑）。

  • “淘金者”營前的“公告牌”

于是，當7月14號韋布望遠鏡的ERO觀測數(shù)據(jù)開始釋放，研究高紅移宇宙的天文學家們便如鯉魚躍龍門一般，涌向剛剛開門的數(shù)據(jù)庫，這之中也包括我自己。

我覺得以“淘金者”來形容此時的天文學家再貼切不過，因為最遙遠的星系就是藏在茫茫數(shù)據(jù)中的金子，單憑個人的努力，以人工的方式去尋找，難度正如沙里淘金。有經(jīng)驗、有準備的團隊會集結(jié)作戰(zhàn)：圖像處理、選源測光、模型擬合、制圖制表、修改論文等分工明確，各有人負責。最終，這樣一篇“淘金”論文便新鮮出爐，并在隨后被掛在預印本論文網(wǎng)站arXiv上，正如淘金者營地前的那幾面公告牌（billboard）。

當然，在淘金熱里穩(wěn)賺不虧的人永遠是那些搞“食宿配套”的——SMACS0723是一個大質(zhì)量的星系團，若想要正確解釋星系團背后的遙遠星系，則需要借助前景星系團的引力透鏡模型，將被扭曲、拉伸的影像還原回去。在淘金者將他們的金沙展示給眾人之前，幾篇很“適時”地討論引力透鏡模型的論文都在短時間內(nèi)拿到了相當高的關注和引用數(shù)據(jù)。

圖5：幾篇七月初討論引力透鏡模型的論文，都在短短一個月內(nèi)拿到了十幾次引用。圖片來源：SAO/NASA ADS

2022年7月20號，此時距離韋布第一批原始數(shù)據(jù)釋放僅僅過去了六天，兩個團隊就不約而同地公布了他們所發(fā)現(xiàn)的第一批“最遠星系“的候選體。來自哈佛大學天體物理中心的博士畢業(yè)生Rohan Naidu和意大利羅馬天文臺的Marco Castellano各自領銜的團隊，利用韋布早期釋放科學（ERS）中由GLASS項目拍攝到的圖像數(shù)據(jù)，同時發(fā)表了兩個紅移12左右的候選體。以Naidu論文手稿中的圖示為例，其中一個星系在1.5微米以下的波長范圍內(nèi)幾乎沒有任何被探測到的痕跡，這說明靜止系下121.6納米的斷崖特征已經(jīng)紅移到了1.5微米左右， 即紅移12附近（1.5微米÷121.6納米≈12.3）。如果屬實，這會成為目前我們探測到的最遙遠的星系，比之前江林華團隊認證的星系還要早上幾千萬年。

圖6：Rohan Naidu論文中的第一個紅移~12的星系。從藍到紅的多波段影像展示于上圖中，左下圖為所謂的“光譜能量分布“，可以看到位于1.5微米處星系連續(xù)譜的斷裂，其可能對應的紅移概率分布被展示在了右下圖中。圖片來源：https://arxiv.org/abs/2207.09434

當然，隨著更多的數(shù)據(jù)被更多的團隊分析，更多可能更為遙遠的星系也被陸陸續(xù)續(xù)發(fā)掘出來，并被掛在“公告牌”上。作為另一個早期釋放科學觀測項目CEERS的首席研究員（PI），德州大學奧斯汀分校的Steven Finkelstein帶領了一個一百余人的團隊，在7月27日公開了一個紅移14的候選體，并將其取名為“Maisie的星系”，以慶祝該星系發(fā)現(xiàn)當天他女兒的九歲生日。

再后來，一些紅移15以上乃至20的候選體又被不同的團隊識別出來（巴黎天文研究所的Hakim Atek、密蘇里大學的嚴皞璟、東京大學的播金優(yōu)一等團隊），一時之間，arXiv上的天體物理版面熱鬧無兩。7月25日，當我自己的第一篇基于韋布的論文在預印本網(wǎng)站上公開時，整個版面上竟然同時有11篇基于韋布望遠鏡的、關于遙遠星系的論文！

  • 塵埃稍定，目及遠方

不過需要強調(diào)的是，到目前為止，這些可能超過紅移10的遙遠星系都只能被稱作“候選體“。我們也許已經(jīng)找到了新的”最遙遠的天體“，但是打磨、認證的過程還需要一些等待。如前所述，認證這些星系距離的不二法門是拍攝光譜，并辨識出其中譜線的來源，而新觀測的申請、批準、執(zhí)行和數(shù)據(jù)分析都需要較長的周期，不能一蹴而就。

一些望遠鏡、天文臺會允許用戶申請”臺長自由裁定時間“（Director’s Discretionary Time, DDT），用于觀測最近剛剛發(fā)現(xiàn)的、亟需觀測且能產(chǎn)生巨大科學影響的目標源。針對上文提到的在GLASS數(shù)據(jù)中識別出的兩個遙遠星系，已經(jīng)有天文學家申請了文章開頭提到的ALMA天文臺的DDT項目，并對這些星系中可能存在的氧的發(fā)射線進行搜尋。

不過據(jù)我所知，目前并沒有成功的探測。這可能說明這些星系中氧元素的豐度很低，因為氧的產(chǎn)生需要成年累月的恒星核合成，故在遙遠的宇宙中這條譜線可能非常暗弱。當然，另一種我們不愿意看到的可能性是：這兩個星系的紅移并沒有估計得那么高，所以真實的氧線的波長并不在已搜尋的范圍內(nèi)。

對于觀測宇宙學而言，搜尋最遙遠的星系是極為重要的，因為當光子從這些早期宇宙中的星系里發(fā)射出來的那一刻，它就成為了永恒。這讓我們得以窺見宇宙、星系乃至我們自己（即星塵）過去的樣子。引力的強大作用使得有序的結(jié)構逐漸、逐級形成，而理解最早的、最大質(zhì)量的結(jié)構——即星系和其集群——則直接告訴了我們宇宙的構筑歷史，以及大爆炸、冷暗物質(zhì)等宇宙學標準模型是否正確。

因此，當新的觀測窗口被打開，數(shù)據(jù)以前所未有的方式被分享，天文學家們爭先恐后地匯報前所未見的景象也是可以理解的。只不過我們需要記得，當小獵犬號乘著向西的信風離開加拉帕戈斯群島時，距離隨艦的博物學家查爾斯·達爾文寫出《物種起源》還需要再等二十余年。

圖7：加拉帕戈斯群島上的地雀在被發(fā)現(xiàn)的幾十年后，為我們揭示了物種的起源；韋布望遠鏡今天拍攝到的一個個灰暗的光點，在幾十年、幾世紀后，是否也會被反復提起？圖片來源：Lack (1947), Grant (1986) after Swarth and Bowman.

韋布望遠鏡正式的“滿月”已經(jīng)讓我們見證了前所未有的精彩，而這只是其五年的預期服役期、接近二十年的剩余推進劑壽命的開始。由于望遠鏡的調(diào)試/驗收期僅有短短六個月，相當多的校準工作并沒有做完，而是需要在接下來為期一兩年的觀測期內(nèi)逐步補全、逐漸迭代，并將數(shù)據(jù)處理流程逐步完善。

由于望遠鏡的大口徑和無大氣干擾的環(huán)境，韋布極高的分辨率會給指向校準、數(shù)據(jù)疊加帶來計算上的考驗。另外，現(xiàn)代天體物理學的測量往往依賴于天體的絕對亮度，而這需要望遠鏡對大量標準恒星在不同波長上的的觀測、建模，從而把手頭上的“尺子“搞準；到本文撰稿時，這些工作還遠沒有完成。

目前的韋布數(shù)據(jù)處理流程還沒有“最優(yōu)解“，現(xiàn)已公開的科學論文都只能說是在目前探索的前沿。這意味著目前利用韋布望遠鏡對高紅移星系的探索，都可能會或多或少地出現(xiàn)一些偏差。荷蘭萊頓大學的天文學家Rychard Bouwens8月3號在其推特上說，截至當時已公開的論文中，已有195個由韋布“探測”到的紅移7以上星系候選體，但僅有區(qū)區(qū)16個天體同時被兩個以上的團隊獨立發(fā)現(xiàn)。

當然，推特上的一條短訊是不需要同行評議的，若當真如此，這會說明有相當一部分的“最遙遠星系”可能僅僅是一時疏忽。

科學研究的推進，離不開從業(yè)者的熱忱、高效與無私分享。在韋布開始正常觀測的第一個月里，我們已經(jīng)能看到在這些精神與當代信息科技的加持下，觀測宇宙學前所未有的突飛猛進。在硬幣的另一面，我們也需要多那么一些耐心和細致。當初來乍到所激起的塵埃稍稍落定之后，我們也許才能將目光投送到更遠的地方。事實上，最近一周基于韋布望遠鏡數(shù)據(jù)的預印本論文數(shù)量已有所下降，可能更加激動人心的結(jié)果就正在醞釀與打磨的過程之中，并將在不遠的未來，與我們見面吧。
制版｜Livan
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