哈勃太空望远镜观测到了有史以来最遥远的恒星: Earendel,意为晨星。尽管厄伦德尔的质量是太阳的 50 倍,亮度也高出数百万倍,但我们通常无法看到它。我们之所以能看到它,是因为这颗恒星与它前面的一个大型星系团对齐,它的引力使来自恒星的光线弯曲,使其更亮、更聚焦,本质上形成了一个透镜。
当我们观察遥远的物体时,天文学家会看到很深的过去。光以恒定的速度传播(每秒 3×10⁸ 米),因此物体越远,光到达我们所需的时间就越长。当光从非常遥远的恒星到达我们时,我们所看到的光可能已有数十亿年的历史。因此,我们正在研究过去发生的事件。
当我们观察恒星的光时,我们看到的是 129 亿年前恒星发出的光;我们称之为回溯时间。那是大爆炸之后的 9 亿年。但由于宇宙在这道光到达我们的时间里也迅速膨胀,所以埃伦德尔现在距离我们有 280 亿光年。
既然哈勃的继任者詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST) 已经就位,它可能能够探测到更早的恒星,尽管可能没有多少能够很好地排列形成“引力透镜”以便我们可以看到它.
要看到更远的过去,物体需要非常明亮。我们所见过的最远的物体是质量最大、最亮的星系。最亮的星系是类星体——被认为是由超大质量黑洞驱动的发光物体——在其中。
在 1998 年之前,探测到的最远的类星体星系大约有 126 亿年的回溯时间。哈勃太空望远镜分辨率的提高将回溯时间增加到了 134 亿年,而借助 JWST,我们预计星系和恒星的回溯时间可能会提高到 135.5 亿年。
恒星在大爆炸后几亿年开始形成,我们称之为宇宙黎明。我们希望能够在宇宙黎明时看到星星,因为这可以证实我们关于宇宙和星系如何形成的理论。也就是说,研究表明,我们可能永远无法用望远镜尽可能详细地看到最遥远的物体——宇宙可能有一个基本的分辨率极限。
为什么回头看?
JWST 的主要目标之一是了解早期宇宙的样子以及早期恒星和星系的形成时间,被认为是在大爆炸后 1 亿到 2.5 亿年之间。而且,幸运的是,我们可以通过比哈勃望远镜或 JWST 能管理的更远的地方来获得关于这一点的提示。
我们可以看到 138 亿年前的光,虽然它不是星光——那时还没有星星。我们能看到的最远的光是宇宙微波背景(CMB),它是宇宙大爆炸留下的光,形成于我们宇宙诞生后仅 38 万年。
CMB 形成之前的宇宙包含正质子(现在与中子一起构成原子核)、负电子和光的带电粒子。光被带电粒子散射,使宇宙变成了雾汤。随着宇宙的膨胀,它逐渐冷却,直到最终电子与质子结合形成原子。
与粒子汤不同的是,原子没有电荷,所以光线不再分散,可以直线穿过宇宙。这道光继续穿越宇宙,直到今天到达我们。随着宇宙的膨胀,光的波长变得更长,我们目前将其视为微波。这种光就是 CMB,可以在天空的所有点均匀地看到。 CMB 在宇宙中无处不在。
厄伦德尔特写。科学:NASA、ESA、Brian Welch (JHU)、Dan Coe (STScI);图像处理:NASA、ESA、Alyssa Pagan (STScI)
CMB 光是我们所见过的最远的时间,我们看不到更早的光,因为光是散射的,宇宙是不透明的。
然而,有可能有一天我们甚至可以超越 CMB。为此,我们不能使用光。我们将需要使用引力波。这些是时空本身结构中的涟漪。如果有任何形成于早期宇宙的迷雾中,那么它们今天可能会到达我们身边。
2015 年,使用 LIGO 探测器从两个黑洞合并中探测到了引力波。也许下一代天基引力波探测器——例如将于 2037 年发射的 Esa 望远镜 Lisa——将能够在 138 亿年前的 CMB 形成之前看到非常早期的宇宙。
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图片来源:哈勃望远镜对厄伦德尔的看法。科学:NASA、ESA、Brian Welch (JHU)、Dan Coe (STScI);图像处理:NASA、ESA、Alyssa Pagan (STScI)