探索最遙遠星系的未解之謎，歐美在摩拳搽掌，中國仍缺席
已知最遙遠星系及其中疑似伽瑪射線暴的藝術想象圖，圖片來源：北京天文館喻京川。
撰文 | 江林華（北京大學）
責編 | 韓越揚、呂浩然
人們從未停止探索遙遠宇宙的步伐，古往今來，人們不停在問“宇宙有多大？”“宇宙有邊界嗎？”“最遠的星星有多遠？”。然而，由于技術條件的限制，這個步伐前進的相當緩慢。一百多年前，宏偉的經(jīng)典物理學大廈已具規(guī)模，相對論和量子理論也開始閃亮登場，然而那時，人們對銀河系外的宇宙幾乎還是一無所知。
百多年后的今天，人們利用各類大型望遠鏡可以發(fā)現(xiàn)百億光年外的天體。而下一代太空望遠鏡和地面巨型望遠鏡將有望帶領我們去領略宇宙大爆炸后產生的第一代星系。天文學和天體物理學正進入另一個黃金時代，然而，中國仍可能缺席。
“四方上下曰宇，古往今來曰宙”，古人很久以前就開始觀察日月星辰的變化，但千百年來，人們一直認為我們（或地球）就是宇宙的中心。哥白尼的“日心說”跨出了重要一步，讓人們開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)的進一步積累，人們慢慢知道太陽也不是宇宙的中心，甚至不在銀河系中心。
當然，由于觀測手段或者說是技術的限制，那時認識宇宙的步伐非常緩慢。甚至在在一百年前那場著名的“大辯論”（Great Debate）中，一群著名的天文學家還在爭論銀河系是不是宇宙的全部[8]。
近半個多世紀以來，隨著射電技術和電荷藕合器件（CCD）等技術的出現(xiàn)，天文學的發(fā)展走上了快車道。在探測遙遠的宇宙方面，人們對類星體的探測跨出了第一步：1963年Maarten Schmidt證認了一顆紅移為0.158的類星體[6]，大約距離我們20億光年。類星體是一類最亮的活動星系，能量來源于其中心的超大質量黑洞（質量從數(shù)百萬至上百億太陽質量不等）。由于它們通常非常明亮，比較容易探測。在隨后的20年里，類星體紅移記錄快速攀升，至80年代時已達紅移4左右。但是，探測那些遙遠的、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，即另一類活動星系）。
根據(jù)目前的標準宇宙學模型，現(xiàn)在的宇宙年齡約為138億年。人們利用宇宙學紅移表示宇宙年齡和距離。紅移越大，距離越遠，宇宙年齡越小。但它們的關系遠非線性，宇宙年齡與紅移的關系見圖1。例如，紅移1對應的宇宙年齡約59億年，已接近現(xiàn)在宇宙年齡的一半。對于紅移為1的天體，我們可以說它距離我們79（=138?59）億光年，即光走了79億年。但由于宇宙同時在膨脹，根據(jù)宇宙學模型計算的實際距離約為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，本文盡量使用沒有歧義的宇宙年齡。
在幾年前我參加的一次會議上，一位研究高紅移星系的前輩Richard Ellis教授回憶說，在90年代初的一次學術會議上，人們還在打賭將來能發(fā)現(xiàn)的星系最遠能多遠：有人選紅移1，有人選1.5，也有人選2左右。不久后，隨著哈勃太空望遠鏡（HST）的升空和一些大型地面望遠鏡的建成，人們開始真正有能力去探測那些非常遙遠的星系，而現(xiàn)在已知的最遙遠星系紅移已達10以上（紅移10對應的宇宙年齡為5億年左右）。
圖1：宇宙年齡與紅移的關系（注意它們的關系遠非線性）。
宇宙大爆炸后38萬年進入所謂的“黑暗時代”，即沒有發(fā)光天體。在這“黑暗時代”末期，宇宙大尺度結構在暗物質暈作用下開始顯現(xiàn)，早期恒星和星系逐漸開始誕生。
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，最早的超大質量黑洞種子也開始誕生和成長。這些天體發(fā)出的電離光子重新“點亮”宇宙（電離星系際介質中的氫），即宇宙再電離。
該電離過程持續(xù)數(shù)億年，結束于紅移6左右（即宇宙年齡~10億年），是宇宙演化的最重要時期之一。研究宇宙再電離和探測早期天體發(fā)出的“第一縷曙光”是下一代地面和空間巨型光學紅外望遠鏡（如中國參與的國際三十米望遠鏡TMT等）的主要科學目標之一。在美國2010年天文十年規(guī)劃中，也將其列入三大優(yōu)先支持領域之一。
近年來，隨著哈勃空間望遠鏡（HST）和地面大型望遠鏡（如美國的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)計表明在HST的幾個深場中就有一千多個高紅移星系[1]（這兒指紅移大于6、或者說宇宙再電離時期的星系）。嚴格來說，這些星系都是候選體，因為它們是通過圖像測光的方法選擇出來的，而沒有經(jīng)過光譜證認，其中不可避免的有前景天體的污染。
然而，光譜證認這些高紅移星系非常困難：對于上述HST發(fā)現(xiàn)的大部分星系，即使利用下一代巨型望遠鏡去證認也極具挑戰(zhàn)。唯一的例外是，如果星系有強發(fā)射線，那么光譜證認就相對容易。當然，具有強發(fā)射線的星系比例較小。對于中高紅移星系，通常唯一利用的發(fā)射線是氫的Lyα發(fā)射線，這是紫外波段最強的發(fā)射線，且比別的線強很多。但對于紅移大于7的星系來說，最大的問題是，所觀測到的Lyα發(fā)射線隨著紅移的上升快速下降直至消失。原因是星系際介質中的中性氫通過一種機制將視線方向上的Lyα發(fā)射線稀釋掉。所以，光譜證認更高紅移的星系幾乎沒有高效的方法。
圖2：哈勃超深場部分天區(qū)。圖中大部分天體都是非常遙遠的星系。圖片來源：https://hubblesite.org/。
目前，人們已知的最遙遠星系一般認為是GN-z11。GN是HST GOODS-North深場的簡寫，而z11意味著紅移11左右。其實人們開始利用HST多色成像數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該星系在紅移10左右，簡稱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拍攝了很深的無縫光譜，發(fā)現(xiàn)了一個疑似的連續(xù)譜跳變，表明紅移可能在11左右。
那是2016年的事，我那時想，也許可以利用地面大型望遠鏡嘗試去探測該星系另外幾條紫外發(fā)射線。2017年，我們與合作者，日本的N. Kashikawa教授利用美國的10米口徑Keck望遠鏡進行了合作觀測，觀測很順利，觀測條件也非常好，我們一共觀測了7個多小時，實際在GN-z11上的積分時間為5個多小時。獲得數(shù)據(jù)的第二天，P. Oesch就迫不及待地對數(shù)據(jù)進行了快速處理，他在發(fā)給我的郵件中說，我們探測到了兩條發(fā)射線。
隨后，我們團隊的兩位成員分別進行了獨立的數(shù)據(jù)處理，得出了一致的結論，即探測到了三條發(fā)射線，表明GN-z11在紅移10.957，對應的宇宙年齡為4億年左右，也就是134億光年外（算上宇宙膨脹應該是320億光年外）。這證實了該星系其為已知最遙遠星系，也是最遙遠天體[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其平滑后的圖像。下面兩圖分別是與上面兩圖對應的一維光譜。通過其中最強的一條發(fā)射線可以計算出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)著于探索那些最遠的天體、最亮的超新星、質量最大的黑洞、最強的磁場等，不只是因為“最”字吸引眼球，更在于科學意義。GN-z11其實本身很亮（相對于那時的星系來說），只是由于遙遠的距離而顯得很暗。人們曾一度懷疑在如此早期的宇宙能否存在如此大（亮）的星系。
我們的結果表明GN-z11確實存在于宇宙早期，是一個活躍的恒星形成星系。我們探測到的發(fā)射線由碳和氧的二次電離氣體發(fā)出，說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，即幾乎沒有金屬成分的星系。這同時也表明第一代星系的出現(xiàn)應遠早于紅移11。我們的結果還表明現(xiàn)有大型天文設備有能力探測到部分早期星系的光譜，這其實出乎很多人的意外。但對中國學者來說意義不大，因為我們尚缺乏類似的設備。
我們在2017年觀測GN-z11光譜時，還探測到來自該星系方向的一次爆發(fā)（以下簡稱GN-z11-flash）。該爆發(fā)表現(xiàn)為一明亮的近紅外光譜，持續(xù)時間短于三分鐘（圖4）。光譜包含明顯的大氣吸收成分，表明爆發(fā)信號來自地球大氣層外。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在過去的研究生涯中從未遇到過這種事情，即在觀測一個遙遠星系時，在同樣位置觀測到一爆發(fā)或暫現(xiàn)源。
經(jīng)詳細分析，我們基本排除該爆發(fā)信號來自地球上人造物體和太陽系天體等來源。我們進一步的理論計算表明，該光譜可能來自GN-z11的一次伽瑪射線暴，為伴隨該伽瑪射線暴的（靜止坐標下）紫外輻射[3]。遺憾的是，在觀測時段內現(xiàn)有伽瑪射線衛(wèi)星沒有觀測該天區(qū)或探測深度不夠。不可否認，在觀測時段內GN-z11發(fā)生伽瑪射線暴的概率極低，但來自其它已知信號源的概率更低。若伽瑪射線暴解釋成立，那么這是目前人類已知的最遙遠天體爆發(fā)，表明宇宙大爆炸后4億年左右宇宙就可能大量產生伽瑪射線暴。
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)表后受到了國際同行和媒體的大量關注，也毫不意外地受到了一些質疑[4,7]。這些質疑主要聚焦于GN-z11-flash很可能來自于人造衛(wèi)星，因為我們經(jīng)常在天文圖像上看到人造衛(wèi)星留下的長長印跡。但這些質疑文章沒有深入分析我們觀測的時間、地點、天區(qū)、衛(wèi)星特征、光譜特征等重要信息。例如，人造衛(wèi)星靠反射太陽光才可見，大部分衛(wèi)星是中低軌衛(wèi)星，在我們觀測GN-z11-flash時處于地球的陰影，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望遠鏡觀測GN-z11時是不會看到這些高軌道衛(wèi)星的。我們還對比了衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫，排除了所有已知衛(wèi)星。
當然，我們無法完全排除在特定軌道上且不在衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫里的衛(wèi)星或者衛(wèi)星殘骸。
但是，這些可能存在的衛(wèi)星要滿足GN-z11-flash的所有觀測特征，其概率微乎其微。例如，最近有人質疑GN-z11-flash可能來自一衛(wèi)星殘骸，也被我們反駁了。需要指出的是，我們在文章中也只是提出了我們認為最可能的解釋，真相我們目前還不知道。不過，如果GN-z11-flash是一類罕見的天體現(xiàn)象，那么未來的大型巡天項目，如中國空間站光學望遠鏡巡天等，定會揭開其神秘面紗。
我們的上述結果表明GN-z11已經(jīng)是一個較大的、金屬成分較高的星系，也是目前已知的最遙遠的星系。如果已知是正確的，那么第一代星系應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，但各國學者已經(jīng)開始摩拳擦掌，希望不久的未來能揭開其神秘面紗。
這主要歸功于當前建設中的下一代巨型望遠鏡，包括美國的JWST太空望遠鏡（即HST的繼承者）、25米口徑的巨型麥哲倫望遠鏡GMT、30米口徑的三十米望遠鏡TMT（中國也加入了該項目）、歐洲39米口徑的極大望遠鏡E-ELT。科學家們迫切希望通過這些望遠鏡探測并理解宇宙中第一代星系、恒星、大質量黑洞的種子黑洞等。由于技術條件的限制，中國以前基本遠離該領域的國際競賽。但未來將至，希望我們不再錯過下一次探索宇宙極限的國際盛宴。
參考文獻：
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簡介
江林華
江林華，北京大學科維理天文與天體物理研究所研究員。主要研究領域是高紅移星系和類星體。
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制版編輯 | Morgan
