韦布观测到迄今最古老星系，这具有哪些重大意义

新华社北京4月9日电《参考消息》9日登载路透社报道《迄今观测到的最古老星系为了解原始宇宙提供线索》。报道摘要如下：

日前，天文学家发现了一个可能是迄今观测到的最古老、最遥远的星系。这一星系是在标志着宇宙起源的大爆炸事件发生后不久形成的，或由第一代新星构成。

研究人员7日称，这个名为HD1的星系可追溯到138亿年前大爆炸之后的3亿年出头。他们还说，观测结果表明，HD1形成恒星的速度惊人，每年可能新增约100颗恒星，亦有可能孕育了已知最早的超大质量黑洞。

研究人员使用了美国夏威夷和智利的望远镜以及在轨的斯皮策空间望远镜的数据。他们还希望利用詹姆斯·韦布空间望远镜获得更为精准的信息。该望远镜去年12月由美国国家航空航天局发射升空，将于数月内投入使用。

研究人员称，有关HD1的观测信息有限，其他物理性质仍然成谜，包括其形状、总质量和金属丰度。金属丰度是指原始宇宙中存在的氢和氦以外的物质所占的比例。

研究人员说，HD1的质量可能是太阳的100亿倍，其中可能充满了第一代恒星。据猜测，这些所谓的“第三星族星”（星族III）质量极高、亮度大、温度高、寿命短，并几乎完全由氢和氦组成。

在宇宙的初始阶段，比氢和氦更重的元素并不存在。之后，这些元素在最早的恒星内部形成，并随着恒星生命周期结束时发生的爆炸涌入星际空间。

据观测，HD1的紫外线亮度极高。研究人员称，HD1或正“经历一次非常突然的星爆”。

经过 25 年的规划、设计、建造、等待，以及对有史以来最复杂的太空天文台的最精细的测试，庞大的詹姆斯·韦布空间望远镜计划于美国东部时间 12 月 25 日早上 7 点 20 分（北京时间25日晚上8点20分）发射。

此次发射到底是科学界的年终大礼还是为 2021 年画上灾难性的句号，取决于两件事：火箭升空的安全升空，以及紧接着的几周的成功部署。它将飞向160万公里外的太空地点，在人类无法触及的地方进行极其困难的舞蹈。韦布望远镜必须在进入太空的第一个月内执行一系列精心编排的复杂动作，即使是一个微小失误也可能危及整个任务。

但可能的回报值得冒这么大的风险。当韦布望远镜睁开它6米多宽的金色眼睛时，它将改变我们对宇宙和我们自己的看法。

这台望远镜的任务是捕获宇宙的第一束光，它是人类迄今为止制造出的最为强大的机器之一，可以回顾空间和时间的起源。韦布将讲述宇宙的故事，从它闪耀、撞击式诞生后的最初几拍，划过到整个宇宙时代，一直到现在。

韦布望远镜的目光非常敏锐，打个比方，它可以看清楚绕月球飞行的一只虫子大小的东西。它将穿透最原始的黑暗，那里是恒星、星系和行星诞生的初始时空，窥视在之前的伟大天文台看来是一片模糊的地方。

欧洲航天局(ESA)高级科学顾问马克·麦考林 ( Mark McCaughrean）说：“不要将韦布视为太空望远镜——它是一个时空望远镜。它在进行时间旅行的同时也在检查空间。我们正在回顾宇宙，接近 138 亿年前大爆炸的边缘。”

韦布空间望远镜的冒险设计是该任务大胆目标的结果：为了深入了解宇宙，巨大的望远镜需要足够轻以进行一百多万公里的旅程，并且一旦到达那里需要冷却到极低的温度。

美国国家航空航天局（NASA）天体物理学家安伯·斯特劳恩（Amber Straughn）说：“设计一个必须在太空中运行并且保持低温的巨大望远镜过去和现在都是极具挑战性的工程方案，这推动了所有的工程设计。”

尽管主镜是哈勃空间望远镜的两倍多，但韦布的重量是6 吨，只有哈勃的一半。工程师用铍制成主镜，铍是一种相对稀有的金属，比铝轻但比钢坚硬。他们将这种金属雕刻、打磨并压制成 18 个六边形，然后在蜂窝形镜上镀上金子，以帮助它反射尽可能多的红外光。

韦布望远镜搭载四个主要科学仪器。与哈勃主要观测可见光不同，韦布可以看到光波更长、更红的光。这就是说韦布将看到宇宙第一束光的由来，因为最初的光在穿越不断膨胀的宇宙时被拉伸到红外线波段。

但是，除非韦布的观测仪器保持极低温度，否则来自望远镜本身和附近物体的环境辐射可以掩盖这种宝贵的光线。然而，也许令人惊讶的是，在地球轨道附近的任何地方，太空都相对温暖。因此，望远镜携带着一个有网球场那么大的五层遮阳罩，由一种名为Kapton的闪亮半透明材料制成。

韦布将在发射后的第一周部署其遮阳板。一旦到达目的地，望远镜将能够保护自己免受太阳和地球的热量和眩光。然后，天文台面向黑暗空间的一侧将冷却至比绝对零度高40度的温度（40 开尔文）。

问题是，除非望远镜被折叠起来，否则将所有这些装置装入火箭整流罩——即使是像阿丽亚娜 5 号火箭这样大的整流罩——是行不通的。

一旦进入太空， 韦布就会开始伸展和最终展开以下这些部分：首先是太阳能电池板和通信硬件，然后是遮阳板、一个小的副镜，最后是蜂窝状的主镜。在发射后的29天内总共有344个单点操作需要正确完成，其中大部分来自多层遮阳板。

韦布的使命是帮助讲述宇宙的故事——充满宇宙的粒子、元素和分子的漩涡是如何以某种方式结合产生恒星和星系，并最终产生地球这个有人居住的世界的。

为了讲述这个故事，科学家们需要回到最初的时刻。但婴儿期的宇宙是包裹在黑暗当中的一团充满辐射的混沌气体。我们真的不知道光是如何或确切在何时开始闪亮的，也就是说恒星是如何在大约 138 亿年前宇宙爆炸时产生的氢和氦海洋中开始发光的。我们不知道第一个星系是如何或何时形成的，也不知道它们长什么样。

当它回溯到最早的时间开始时，韦布将发现那些原始恒星和星系的特征——可能是广阔虚空当中的一块小斑点，但这对于了解宇宙如何成长至关重要。这些观察将标志着科学家们第一次看到宇宙最古老结构的形状和组成。

我们也不知道我们现在称之为黑洞的第一个无底时空坑是如何形成的，它是如何设法将相当于 10 亿个太阳的物质迅速压缩到一个狭小的空间当中的。

除了拍摄图像之外，韦布还通过收集光并将其分解成其组成部分来研究宇宙，就像棱镜将阳光分成彩虹色一样。在这些光谱中，科学家们可以看到不同分子、原子和气体的特征——例如氢、氮、水蒸气、氨、甲烷和二氧化碳。根据它们的元素特征以及它们的光在穿越宇宙时被拉伸的方式，科学家们将知道哪些星系首先出现。

我们常说“一图胜千言”，但是“光谱胜千图”。图像漂亮、壮观，它们告诉我们物体的形态和样子，但是天文学家想知道成分。光谱可以告诉我们物体是由什么组成的。

韦布也将目光投向离家更近的地方。它将研究更成熟的星系，以了解这些宇宙结构如何随着时间的推移而演变，并将凝视我们银河系内围绕其他恒星运行的行星的大气层。

外星世界可能是了解行星如何组合在一起的关键——它们如何成长和进化，以及它们中的一些如何变得适合居住。韦布望远镜甚至可以研究我们太阳系内的世界，例如火星以及科学家认为今天可能孕育生命的木星和土星的冰卫星。

韦布空间望远镜实际上跨越了整个可观测的宇宙，这就是一万多名工程师的努力、历经几十年的等待和耗费上百亿美元的资金所有这些付出所值得的。

前不久，美国宇航局刚刚公布了一条他们称之为“史诗级”的发现——迄今为止人类已知的最遥远恒星。一颗名叫Earedel的恒星在引力透镜效应下被人类观测到，这颗恒星距离我们128亿光年，刷新了人类发现的最古老恒星的纪录。

这个发现刚刚过去一个多星期，天文学家们又取得了另一项重大发现。继史上最遥远的恒星之后，人类又发现了史上最遥远的星系！这个星系过于遥远，以至于它的真实身份，如今还是个谜。

为了寻找这些遥远的星系，一支国际天文学家团队利用了四台强大的望远镜进行观测，分别是位于夏威夷的昴星团望远镜和英国红外望远镜、位于智利的维斯塔天文望远镜以及远在大气层之外的斯皮策太空望远镜。凭借着这4台利器，以及长达1200小时的观测时间，他们在最早期的宇宙中发现了一些特殊的光芒。

他们的付出得到了回报，在最遥远的宇宙，也就是那段距离我们最遥远的 历史 时期，他们发现了几个遥远的星系。其中最远的一个，打破了以往的纪录，成为了迄今为止人类已知的最遥远的星系，它们将其命名为HD1。

根据观测，这个星系距离我们达到了135光年！也就是说，它在宇宙大爆炸的仅仅3.3亿年后就存在了！要知道，那个时候，宇宙还处于黑暗时代，正在一点点通过再电离形成天体。可以说，这个星系是宇宙中的元老了。

正如本次研究的参与者、日本东京大学的天文学家Yuichi Harikane所说的那样，在70多万个天体中找到它是一件非常困难的任务。那么，天文学家是如何确定它的距离的呢？

在物理学上有一个著名的效应，叫做多普勒效应。它指的是波源在远离或靠近的时候，其频率会发生变化。生活中最常见的例子，就是靠近我们的 汽车 声音会变得越来越尖锐；远离时就会逐渐变得低沉。

在电磁波方面，多普勒效应也是存在的。当天体远离我们的时候，其发出的光就会往波长更长的方向偏移，也就是靠近红色的波段，这就叫做红移现象。

我们知道，宇宙是在膨胀的。在宇宙空间膨胀的时候，这些遥远的星系就会随着空间一起膨胀，远离我们，天文学上叫做退行。而且，离我们越远的天体，退行的速度越快。所以，通过测量一个天体的红移值，天文学家就能知道它距离我们有多远了。

Harikane表示：“HD1的红移值与135亿光年外的星系预期特征惊人地吻合，以至于当我发现它的时候，都有点起鸡皮疙瘩了！”

除了红移值之外，它的紫外线波段中表现得非常明亮，暗示着这是一个能量爆棚的星系。由于这个星系过于遥远，关于这种能量的来源，天文学家还有些困惑。它可能是一个星暴星系，也就是大量的恒星迅速形成从而释放强大电磁辐射的星系；也可能是一个类星体，也就是核心处有一个疯狂吞噬的超大质量黑洞，同样也会爆发出巨大的能量。

哈佛大学和史密森尼天体物理学中心的天体物理学家Fabio Pacucci做了个比喻：这就好像大海远处有一艘船，我们能看见它挂着一面旗，能大概看清它的颜色和形状，但由于狂风和浓雾的阻碍，无法据此判断这艘船是来自哪个国家的。

关于上面两种猜测，天文学家都能找到无法解释的矛盾点。

如果HD1是一个星暴星系，那么根据其释放的能量来进行估算，会得到一个惊人的结果：它每年就能够生产出超过100颗新的恒星！这个数字看起来确实有点不太合理，因为和以往的理论相比，这个数字超出了预期的10倍！

只有一种可能性足以化解这个矛盾，那就是这些恒星本身就非常特殊，它们属于宇宙中最古老的第一代恒星，也被称为星族III星。

Pacucci介绍说：“宇宙中形成的最早的一批恒星都比今天的恒星温度更加巨大、明亮，温度也更高。如果我们假设HD1中形成的都是这些第一代恒星，或者说是星族III星，那么它的特征就更容易得到解释了。实际上，星族III星形成的紫外光比普通恒星更多，这就能够解释HD1中极强的紫外光亮度了。”

除此之外，类星体也可能是一个答案。类星体是 类星射电源（quasi-stellar radio sources）的简称（quasar），它是活跃星系核的一种，可以释放出极其惊人的能量。究其原因，就在于星系核心处的超大质量黑洞在疯狂吞噬的同时，产生的热量足以穿越上百亿光年的宇宙，被人类观测到。

如果是第二种情况，天文学家就会更加困惑了。根据他们的计算，如果HD1真的是类星体，那么它的超大质量黑洞至少要达到太阳的1亿倍质量才可以。可是，在宇宙大爆炸仅仅3.3亿年后的时间里，恒星都没有形成多少，怎么会有如此巨大的黑洞呢？

话说回来，这也不是第一个挑战天文学家理论的超大质量黑洞了。比如人类已知的最巨大的超大质量黑洞TON 618，质量是太阳的660亿倍，在108亿年前就这么巨大了。

关于超大质量黑洞形成的理论，天文学家们也在不断完善，并寻找新的解释方式。比如有人认为，可能它们早在宇宙大爆炸初期就直接形成了，而不是通过第一代恒星死亡后的坍缩过程。如果跳过这一步，或许就能够形成如此巨大的黑洞了。

总之，HD1到底是哪一种星系，目前仍然是一个谜。研究人员希望即将投入工作的詹姆斯·韦布太空望远镜能够对它进行观测，凭借其强大的观测能力，破解这个谜题，或者发现更加遥远的星系。

宇宙早期的那些巨大秘密，或许就要靠它来破解了。

宇宙到底是什么时候开始按照人类现在对宇宙的了解，应该是在138亿年前宇宙大爆炸开始，在此之前，宇宙到底是否存在或者说以什么样的形态存在，目前还不可得而知。人类之所以不断去探究宇宙的起源，就是在寻找自己的来处。

因为对宇宙的探索有助于深化人类对地球成因乃至太阳系演化历史的科学认知。所以科研人员才会执着于探索宇宙的起源。

因为科研人员想弄清楚我们人类来处，所以需要先探索宇宙的起源，才能弄清楚地球的起源，继而弄清楚人类的起源，这就是科研人员执着探索宇宙起源的原因。