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寫在詹姆斯·韋布“滿月”之后：我們找到最遙遠(yuǎn)的星系了嗎？ | 賽先生天文

2022/09/07
導(dǎo)讀
淘金者們趨之若鶩，且待塵埃稍定，目及遠(yuǎn)方

  • 導(dǎo)語：
去年圣誕節(jié)，人類最強(qiáng)“天空之眼”詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡順利升空，開啟了觀測(cè)宇宙學(xué)新的一頁(yè)。經(jīng)過幾個(gè)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(jìn)了韋布“滿月禮”的大名單，最后又對(duì)韋布的“終極目標(biāo)”做了追問。正如作者所說，跨時(shí)代的韋布已經(jīng)逐漸進(jìn)入狀態(tài)，那些激動(dòng)人心的結(jié)果，也將在不遠(yuǎn)的未來與我們見面。

撰文 | 孫鳳梧（亞利桑那大學(xué)）責(zé)編 | 王馨心、呂浩然

  • 稀里糊涂地進(jìn)了“大名單”

2018年的時(shí)候，我還在北大天文系讀本科。當(dāng)時(shí)的我正在申請(qǐng)國(guó)外的研究生，承蒙亞利桑那大學(xué)看得上我，給我發(fā)了錄取通知。我現(xiàn)在的導(dǎo)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(yuǎn)鏡縮寫）就上天了，到時(shí)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(zhǔn)備一下，比如說用地面上最大的望遠(yuǎn)鏡——阿塔卡瑪毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）來研究遙遠(yuǎn)的星系?！?/span>

我想了想，這種三十年一遇的大望遠(yuǎn)鏡機(jī)會(huì)要是真能被我趕上，豈不美哉。所以，我就來到美國(guó)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(xué)天文系。圖片來源：亞利桑那大學(xué)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(jì)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(kù)魯航天中心發(fā)射升空。說來也是好玩，我們打印機(jī)室的房門密碼是某次原定的韋布發(fā)射日期，我覺得這個(gè)加密程度剛剛好——熟悉韋布的人總能記住幾個(gè)日子，然后通過枚舉法試驗(yàn)出來。

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

今年四月底，我們系負(fù)責(zé)的韋布望遠(yuǎn)鏡近紅外相機(jī)（NIRCam）的廣域無縫光譜模式（Wide-Field Slitless Spectroscopy）的調(diào)試/驗(yàn)收?qǐng)F(tuán)隊(duì)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(yàn)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(gè)參與了韋布驗(yàn)收工作的研究生，當(dāng)然可能也是整個(gè)韋布驗(yàn)收?qǐng)F(tuán)隊(duì)里唯一的、還沒拿到博士學(xué)位的研究生。七月十二號(hào)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和太空望遠(yuǎn)鏡研究所（STScI）召開發(fā)布會(huì)，在公布首批數(shù)據(jù)圖像的同時(shí)，也發(fā)布了一份六百余人合作的望遠(yuǎn)鏡科學(xué)表現(xiàn)評(píng)估報(bào)告，我很榮幸作為團(tuán)隊(duì)中的一員，出現(xiàn)在了文章的某個(gè)不起眼的角落。

  • 為什么韋布堪稱“跨時(shí)代”？

從那時(shí)起，韋布望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)度過了其開始正常科學(xué)觀測(cè)的第一個(gè)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(diǎn)傳了回來。韋布望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)跨越時(shí)代的儀器，這不僅源于它幾十年的準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)、前所未有的技術(shù)指標(biāo)，更在于它的觀測(cè)與數(shù)據(jù)分享的模式：

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

2. 如此復(fù)雜的一臺(tái)空間望遠(yuǎn)鏡，其調(diào)試/驗(yàn)收時(shí)間被壓縮到了短短六個(gè)月。在最緊張的儀器驗(yàn)收階段（今年4-6月），各臺(tái)儀器輪流觀測(cè)、分頭推進(jìn)，最后產(chǎn)生的觀測(cè)數(shù)據(jù)全部公開；

3. 對(duì)于以往的很多望遠(yuǎn)鏡，用于驗(yàn)證望遠(yuǎn)鏡科學(xué)性能的早期釋放觀測(cè)（Early Release Observation, ERO）往往由儀器建造團(tuán)隊(duì)牽頭進(jìn)行，其數(shù)據(jù)由所謂的保證觀測(cè)時(shí)間團(tuán)隊(duì)（Guarantee Time Observation; GTO）進(jìn)行處理、發(fā)表與公開。而韋布望遠(yuǎn)鏡的ERO則由STScI和NASA牽頭，并在發(fā)布會(huì)后向全世界的天文學(xué)家同步公開。在7月12號(hào)公開日之前，就連我們的儀器團(tuán)隊(duì)都對(duì)具體拍攝結(jié)果一無所知；

4. 最后，包括一批早期釋放科學(xué)（Early Release Science, ERS）觀測(cè)項(xiàng)目和一部分普通觀測(cè)者（General Observer, GO）的觀測(cè)項(xiàng)目在內(nèi)，相當(dāng)多的科學(xué)數(shù)據(jù)只要傳輸?shù)降孛妫土⒓聪蛉澜绻_。與此相反，以往望遠(yuǎn)鏡所產(chǎn)生的絕大多數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)都有12個(gè)月的保護(hù)期，在此期限中，只有申請(qǐng)觀測(cè)的團(tuán)隊(duì)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(yuǎn)鏡的“淘金熱”——當(dāng)白宮截胡了STScI的首張深場(chǎng)照片，并由拜登主持了首場(chǎng)科學(xué)圖像發(fā)布會(huì)時(shí)，世界各地的天文學(xué)家都透過一個(gè)編號(hào)為SMACS0723的引力透鏡星系團(tuán)，看到了以往從未曾見過的遙遠(yuǎn)宇宙。

超高的分辨率和極低的噪聲使得分辨星系團(tuán)中暗弱的矮星系、球狀星團(tuán)成為可能；透過人眼所不能見的紅外光，我們看到了遙遠(yuǎn)的、飛速膨脹的宇宙中一個(gè)又一個(gè)的暗弱星系。同時(shí)，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(tuán)在地球上所能看到的大小。而這片小小的、只花費(fèi)了韋布望遠(yuǎn)鏡半天時(shí)間的觀測(cè)，卻成為了天文學(xué)家對(duì)新時(shí)代的觀測(cè)宇宙學(xué)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(yuǎn)鏡拍攝的SMACS0723深場(chǎng)照片。星芒狹長(zhǎng)銳利的天體為銀河系中的恒星，其余的均為遙遠(yuǎn)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(wù)

遙遠(yuǎn)的宇宙藏匿在紅外光之中。一個(gè)世紀(jì)以前，埃德溫·哈勃向我們揭示了一個(gè)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(yuǎn)離彼此。在更為遙遠(yuǎn)的宇宙中，星系遠(yuǎn)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(dá)如此遙遠(yuǎn)的地方。這也使得我們?cè)诳梢姽饫锟梢姷膸缀跻磺校家蚨嗥绽招?yīng)而發(fā)生了紅移，最終隱藏在了紅外波段。至于紅外波段對(duì)茫茫星塵更強(qiáng)的穿透力，那便是后話了——總之，對(duì)于天文學(xué)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(gè)讀者有一千個(gè)哈姆雷特，一千個(gè)天文學(xué)家也有一千個(gè)韋布望遠(yuǎn)鏡。盡管我也會(huì)為最近韋布探測(cè)到系外行星大氣中的二氧化碳而感到振奮，但作為一個(gè)對(duì)宇宙深處更感興趣的人，我還是覺得：韋布最重要的任務(wù)，莫過于為我們揭示最遙遠(yuǎn)的星系。

在靜止系波長(zhǎng)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?yàn)楦呒t移宇宙更高的中性氫密度，比這條譜線更藍(lán)的光子會(huì)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(jìn)一步用來篩選高紅移星系。而真正的認(rèn)證則需要通過光譜觀測(cè)，識(shí)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(yuǎn)近。打一個(gè)粗略的比方，這里“篩選“和”認(rèn)證“的差別，大致如防范新冠時(shí)的掃碼測(cè)溫和核酸檢測(cè)——哪個(gè)更準(zhǔn)確、更昂貴，相信讀者一眼便知。

圖4：2022年7月12日韋布望遠(yuǎn)鏡圖像發(fā)布會(huì)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(lán)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(gè)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(yuǎn)的有光譜認(rèn)證的星系是由北京大學(xué)江林華老師的團(tuán)隊(duì)確認(rèn)的，這個(gè)被稱為GN-z11的不起眼亮點(diǎn)，它的紅移足足有11之多，這也就是其編號(hào)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(dá)了太陽(yáng)系，并被人類的望遠(yuǎn)鏡所記錄下來。之后，日本學(xué)者播金優(yōu)一（Harikane Yuichi）的團(tuán)隊(duì)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(dāng)然，江老師指導(dǎo)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(yíng)前的“公告牌”

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

我覺得以“淘金者”來形容此時(shí)的天文學(xué)家再貼切不過，因?yàn)樽钸b遠(yuǎn)的星系就是藏在茫茫數(shù)據(jù)中的金子，單憑個(gè)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(yàn)、有準(zhǔn)備的團(tuán)隊(duì)會(huì)集結(jié)作戰(zhàn)：圖像處理、選源測(cè)光、模型擬合、制圖制表、修改論文等分工明確，各有人負(fù)責(zé)。最終，這樣一篇“淘金”論文便新鮮出爐，并在隨后被掛在預(yù)印本論文網(wǎng)站arXiv上，正如淘金者營(yíng)地前的那幾面公告牌（billboard）。

當(dāng)然，在淘金熱里穩(wěn)賺不虧的人永遠(yuǎn)是那些搞“食宿配套”的——SMACS0723是一個(gè)大質(zhì)量的星系團(tuán)，若想要正確解釋星系團(tuán)背后的遙遠(yuǎn)星系，則需要借助前景星系團(tuán)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(shí)”地討論引力透鏡模型的論文都在短時(shí)間內(nèi)拿到了相當(dāng)高的關(guān)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(gè)月內(nèi)拿到了十幾次引用。圖片來源：SAO/NASA ADS

2022年7月20號(hào)，此時(shí)距離韋布第一批原始數(shù)據(jù)釋放僅僅過去了六天，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)就不約而同地公布了他們所發(fā)現(xiàn)的第一批“最遠(yuǎn)星系“的候選體。來自哈佛大學(xué)天體物理中心的博士畢業(yè)生Rohan Naidu和意大利羅馬天文臺(tái)的Marco Castellano各自領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)，利用韋布早期釋放科學(xué)（ERS）中由GLASS項(xiàng)目拍攝到的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)表了兩個(gè)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(gè)星系在1.5微米以下的波長(zhǎng)范圍內(nèi)幾乎沒有任何被探測(cè)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(shí)，這會(huì)成為目前我們探測(cè)到的最遙遠(yuǎn)的星系，比之前江林華團(tuán)隊(duì)認(rèn)證的星系還要早上幾千萬年。

圖6：Rohan Naidu論文中的第一個(gè)紅移~12的星系。從藍(lán)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(duì)應(yīng)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(dāng)然，隨著更多的數(shù)據(jù)被更多的團(tuán)隊(duì)分析，更多可能更為遙遠(yuǎn)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(gè)早期釋放科學(xué)觀測(cè)項(xiàng)目CEERS的首席研究員（PI），德州大學(xué)奧斯汀分校的Steven Finkelstein帶領(lǐng)了一個(gè)一百余人的團(tuán)隊(duì)，在7月27日公開了一個(gè)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(dāng)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(tuán)隊(duì)識(shí)別出來（巴黎天文研究所的Hakim Atek、密蘇里大學(xué)的嚴(yán)皞璟、東京大學(xué)的播金優(yōu)一等團(tuán)隊(duì)），一時(shí)之間，arXiv上的天體物理版面熱鬧無兩。7月25日，當(dāng)我自己的第一篇基于韋布的論文在預(yù)印本網(wǎng)站上公開時(shí)，整個(gè)版面上竟然同時(shí)有11篇基于韋布望遠(yuǎn)鏡的、關(guān)于遙遠(yuǎn)星系的論文！

  • 塵埃稍定，目及遠(yuǎn)方

不過需要強(qiáng)調(diào)的是，到目前為止，這些可能超過紅移10的遙遠(yuǎn)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(yuǎn)的天體“，但是打磨、認(rèn)證的過程還需要一些等待。如前所述，認(rèn)證這些星系距離的不二法門是拍攝光譜，并辨識(shí)出其中譜線的來源，而新觀測(cè)的申請(qǐng)、批準(zhǔn)、執(zhí)行和數(shù)據(jù)分析都需要較長(zhǎng)的周期，不能一蹴而就。

一些望遠(yuǎn)鏡、天文臺(tái)會(huì)允許用戶申請(qǐng)”臺(tái)長(zhǎng)自由裁定時(shí)間“（Director’s Discretionary Time, DDT），用于觀測(cè)最近剛剛發(fā)現(xiàn)的、亟需觀測(cè)且能產(chǎn)生巨大科學(xué)影響的目標(biāo)源。針對(duì)上文提到的在GLASS數(shù)據(jù)中識(shí)別出的兩個(gè)遙遠(yuǎn)星系，已經(jīng)有天文學(xué)家申請(qǐng)了文章開頭提到的ALMA天文臺(tái)的DDT項(xiàng)目，并對(duì)這些星系中可能存在的氧的發(fā)射線進(jìn)行搜尋。

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

對(duì)于觀測(cè)宇宙學(xué)而言，搜尋最遙遠(yuǎn)的星系是極為重要的，因?yàn)楫?dāng)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(qiáng)大作用使得有序的結(jié)構(gòu)逐漸、逐級(jí)形成，而理解最早的、最大質(zhì)量的結(jié)構(gòu)——即星系和其集群——?jiǎng)t直接告訴了我們宇宙的構(gòu)筑歷史，以及大爆炸、冷暗物質(zhì)等宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型是否正確。

因此，當(dāng)新的觀測(cè)窗口被打開，數(shù)據(jù)以前所未有的方式被分享，天文學(xué)家們爭(zhēng)先恐后地匯報(bào)前所未見的景象也是可以理解的。只不過我們需要記得，當(dāng)小獵犬號(hào)乘著向西的信風(fēng)離開加拉帕戈斯群島時(shí)，距離隨艦的博物學(xué)家查爾斯·達(dá)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(yuǎn)鏡今天拍攝到的一個(gè)個(gè)灰暗的光點(diǎn)，在幾十年、幾世紀(jì)后，是否也會(huì)被反復(fù)提起？圖片來源：Lack (1947), Grant (1986) after Swarth and Bowman.

韋布望遠(yuǎn)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(yù)期服役期、接近二十年的剩余推進(jìn)劑壽命的開始。由于望遠(yuǎn)鏡的調(diào)試/驗(yàn)收期僅有短短六個(gè)月，相當(dāng)多的校準(zhǔn)工作并沒有做完，而是需要在接下來為期一兩年的觀測(cè)期內(nèi)逐步補(bǔ)全、逐漸迭代，并將數(shù)據(jù)處理流程逐步完善。

由于望遠(yuǎn)鏡的大口徑和無大氣干擾的環(huán)境，韋布極高的分辨率會(huì)給指向校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)疊加帶來計(jì)算上的考驗(yàn)。另外，現(xiàn)代天體物理學(xué)的測(cè)量往往依賴于天體的絕對(duì)亮度，而這需要望遠(yuǎn)鏡對(duì)大量標(biāo)準(zhǔn)恒星在不同波長(zhǎng)上的的觀測(cè)、建模，從而把手頭上的“尺子“搞準(zhǔn)；到本文撰稿時(shí)，這些工作還遠(yuǎn)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(xué)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(yuǎn)鏡對(duì)高紅移星系的探索，都可能會(huì)或多或少地出現(xiàn)一些偏差。荷蘭萊頓大學(xué)的天文學(xué)家Rychard Bouwens8月3號(hào)在其推特上說，截至當(dāng)時(shí)已公開的論文中，已有195個(gè)由韋布“探測(cè)”到的紅移7以上星系候選體，但僅有區(qū)區(qū)16個(gè)天體同時(shí)被兩個(gè)以上的團(tuán)隊(duì)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)然，推特上的一條短訊是不需要同行評(píng)議的，若當(dāng)真如此，這會(huì)說明有相當(dāng)一部分的“最遙遠(yuǎn)星系”可能僅僅是一時(shí)疏忽。

科學(xué)研究的推進(jìn)，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(cè)的第一個(gè)月里，我們已經(jīng)能看到在這些精神與當(dāng)代信息科技的加持下，觀測(cè)宇宙學(xué)前所未有的突飛猛進(jìn)。在硬幣的另一面，我們也需要多那么一些耐心和細(xì)致。當(dāng)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(yuǎn)的地方。事實(shí)上，最近一周基于韋布望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的預(yù)印本論文數(shù)量已有所下降，可能更加激動(dòng)人心的結(jié)果就正在醞釀與打磨的過程之中，并將在不遠(yuǎn)的未來，與我們見面吧。
制版｜Livan
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