【原】宇宙最遥远的星系到底离我们有多远？

天文在线 2023-04-08 发布于云南

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一束光的冒险之旅——来自最遥远的星系

宇宙大得惊人。当我们仰望夜空，肉眼所见的一切——恒星，星团或是星云，几乎都只是我们星系的一部分，只有少数例外。而其中的一些——比如说上面的三角星系，就可以通过我们银河中的恒星被间接地观察到，从而自黑暗中显现。在我们所知的宇宙中，这些“宇宙岛”遍布每一个角落。如果我们拥有足够的光以观察得更深入，那么即使是在最黑暗和最空旷的空间中也能发现它们的存在。

图片来源：美国国家航天局；欧洲南方天文台，R.温德霍斯特，S.科恩，以及M.梅克特里（亚利桑那州立大学），R.奥康奈尔，P.麦卡锡（卡耐基天文台），N.哈西（加州大学河滨分校），R.瑞安（加利福尼亚大学戴维斯分校），H.严（俄亥俄州立大学）

这类星系中的大多数都太过遥远了，以至于即使是以光速，单个光子——它是恒星表面最后放射出的产物，穿越星际间空间也需要花费数百万或者数十亿年的时间，才能最终到达我们的眼前。尽管186,282英里每秒（或者说299,792,458米每秒）看起来已经是非常快的速度，但事实是距“大爆炸”发生只过去了138亿年，这意味着光能够传播并到达我们身边的距离是有限的。

图片来源：维基共享资源用户亚历山大·梅勒格，已获得a c.c.a.-s.a.-3.0许可。

因此，你可能也会认为，这意味着距离我们最遥远的星系一定不会比138亿光年更远，但这么想是错的。你看，除了以某个有限的速度穿越宇宙，光同时也受到一个更为抽象的科学事实的约束：宇宙结构本身也在随着时间的推移而膨胀。

直到20世纪20年代，承认这种可能性（宇宙膨胀）的广义相对论，才作为一个解决方案被提出，而后来的观测结果则表明，当一个星系离我们远去，从我们自身的视角来看，它就发生了红移。这个事实让我们不仅能够确认宇宙正在膨胀，并且最终能够测量膨胀的速度及其随时间发生的变化。这意味着，我们今天所看到的星系实际上比它们开始发射到达我们的光时更远。

图片来源：美国国家航天局；欧洲南方天文台；G.伊林沃思，D.马吉，P.厄施，来自加利福尼亚大学圣克鲁斯分校；R.布温斯，来自莱顿大学；以及HUDF09团队。

这类似于你在机场里，站在一条移动的人行道的边上，有人从你的身旁走过。如果他们在距你8米远的地方，以9英里每时（4米每秒）的速度向你扔来一个球，你接住它就需要两秒钟。但是如果这条人行道以4.5英里每时（2米每秒）的速度移动，那接球就会花费两倍的时间。

另一个比较抽象的事实是，在膨胀的宇宙中，花费的时间更长并不是因为“球”（或者光，在宇宙中）移动得更慢了，实际上并非如此，球依然以4米每秒的速度滚动，就像光依然以光速在宇宙中传播。但是，球（或者光）所穿过的宇宙空间正在你和它之间不断自我扩张，因此球不得不滚得更远，而光也不得不传播得更远。除此之外，当光最终到达时，发射它的星系距离我们将会比一开始发出光时还要远，甚至比一个无视物理规律的信号瞬间所传播的距离还要远。

图片来源：I.拉贝（莱顿大学），美国国家航天局/欧洲南方天文台/加州理工学院-喷气推进实验室

EGS8p7星系是目前已知的最遥远星系的记录保持者。运用所测得的红移数据（8.63），我们重新构建了宇宙的推演过程，结果告诉我们这束光经过了漫长的132.4亿年才到达我们身边。在进行了更精确的数学计算之后，我们发现此刻所见的这束光是在宇宙只有5.73亿年历史，即仅占其当前年龄的4％的时候产生的。

但是由于宇宙一直在膨胀，所以这个星系离我们并不止132.4亿光年。实际上，这个数字更可能是303.5亿光年。别忘了，这意味着，如果你能立刻从该星系向我们发送信号，该信号将跨越30.35光年的距离。但是，如果你现在试图将光子从该星系发送到我们的眼前，那么由于暗能量和空间结构的膨胀，它将永远无法到达我们。换言之，那个星系永远消失了。实际上，我们能用现有的望远镜——哈勃望远镜和凯克望远镜观察到它的唯一原因，是这个星系方向上阻挡光线的中性气体特别稀疏！

图片来源：马克·迪克斯特拉，“作为再电离探测器的莱曼α发射星系”，2014，来自arxiv.

不要误以为EGS8p7星系要么是现存的最遥远的星系，要么是我们所见过的最遥远的星系。我们现在所看到的，是在这个距离上我们的设备和宇宙允许我们看到的，同时也是最容易观察到的星系：那些中性气体、阻光气体含量最少的星系；最庞大、最明亮的星系；以及我们的仪器所能探察到的星系。未来几年，韦布空间望远镜将走得更远，因为它可以探测的波长更长（因而有更高的红移），可以寻找不受中性气体阻挡的光，并且相比目前的望远镜（如哈勃望远镜，斯皮策望远镜和凯克望远镜）而言，它可以观察到更多相对暗淡的星系。