未来韦伯望远镜升空后,能否找到宇宙中的第一个星系?

说真的,其实在哈勃和斯皮策的共同努力下,我们已经离宇宙中的第一个星系或者是恒星很近了,目前最远的星系距离我们330亿光年,这个星系的光已经向我们传播了134亿年。你要知道宇宙的年龄才138亿年左右,这已经很接近第一批星系了。

但是它并不是,在观测早期宇宙时,目前确实是遇到了一些瓶颈,例如:设备和技术上的问题。下面就详细说下。

目前发现的最遥远的星系

走出地球,穿过夜空中的繁星,到达银河系之外,这是一个浩瀚的宇宙。

我们看的越远,看到的星系就越多。就我们目前的观测设备所取得的成果而言,看似黑暗无光的区域,在其背后充满了大量的星系。如果我们观察的时间足够长,最终都会在望远镜中显示出这些昏暗的宇宙岛屿。

我们曾经发现的最遥远的星系:UDFj-39546284。其发出的光已经向我们传播了134亿年,目前距离我们330亿光年,而宇宙中所有的物质在发出光的时候都只有3.7亿年的历史,或者说仅仅是宇宙现在年龄的2.6%。

但这个星系只是目前的记录保持者。我们的距离记录在不断的变化,因为事实是:我们还没有探测到宇宙中的第一个恒星或星系。因为到目前位置,探测宇宙中第一批恒星和星系的观测仪器,还没有发射升空。

这可能有点违反直觉,为什么我们现在看不到最遥远的星系呢?

如果我们把望远镜对准天空中的某个位置,经常超长时间的曝光,只要能收集到光线,难道看不见宇宙中最遥远的星系吗?

这是我们用哈勃太空望远镜经常干的事情,也是我们发现一些宇宙记录保持者最有效的方式之一。但是哈勃太空望远镜有个内在限制的,也可以说它不适合观测遥远的天体。

望远镜和其他任何仪器一样,都受到物理定律的限制。以望远镜为例,它受到了主反射镜(即望远镜的集光能力)的大小和所能探测到光的波长的限制。使用望远镜观察宇宙时,我们必须选择在一个波长下进行观测;如果在全波段下工作,望远镜就会被最强烈的其他信号干扰。当我们用不同的波长观察物体时,我们就会得到非常非常不同的外观和属性。

这和遥远的星系有什么关系呢?事实证明,宇宙早期的星系和今天的星系没有什么大不同。它们仍然由恒星提供能量,绝大多数恒星仍然会在它们的核心将氢聚变成氦,它们仍然会像今天绝大多数恒星那样发光。无论宇宙的年龄是现在的10%、1%还是0.01%,这都应该是正确的。

除了微小的细节外,恒星和星系在任何时间、任何距离都以几乎相同的方式运作。

但是,尽管这些光源与我们附近的光源并没有太大的不同,但它们要到达我们这里,需要经历了一段地狱般的旅程。首先,宇宙正在膨胀,这意味着星系离我们越远,光线就会被拉伸或红移得越多。为了到达我们的眼睛,光传播的时间也越长,宇宙膨胀影响所有光子波长的时间就越长,如下图所示。

所以如果我们通过可见光,寻找一个非常非常遥远的物体,我们只能看到它发射出的紫外线!有些天体的发出的紫外线会被拉伸成红外线。而哈勃望远镜是为可见光观测设计的,因此其所能看到的天体距离非常有限。如果距离更远,还有其他更加严重的问题。

我们知道宇宙在最初的几百万年里,根本没有任何恒星。经过膨胀冷却后才形成了中性原子。然后经过数百万年的引力收缩,第一批恒星才得以形成。当恒星最终形成时,它们的星光就会遇到了一个不叫棘手的问题:无论光线朝哪个方向运动,都会撞上中性原子,然后被吸收。

那恒星的光如何才能自由传播?我们如何看到第一批恒星呢?有两个选择!

选择一:

等待来自恒星的紫外线重新电离宇宙,使宇宙变得透明,不再吸收可见光,然后我们就能观察到,我们所能看到的最早物体的(红移)光。这并不是一个很好的解决方案,因为如果要等待宇宙电离的话,这意味着我们看不到使用宇宙的第一个恒星或者星系。从天文学家的角度来看,中性氢非常烦人,因为它们特别擅长吸收一些特定波长的光。

而且光线红移与中性氢协同作用,这意味着当光线到达我们眼睛的时候,几乎所有的光线都消失了。紫外线消失了,可见光也消失了,甚至大部分的红外线也消失了。宇宙在红移6的时候才被重新电离了,而最初的星系可能在红移20到30之间形成,而第一批恒星在红移50到75之间形成。

下图可以看到高红移类星体的光线,基本上都处在了红外波段。其他波长的光都被中性氢气有效的“切断”了。

所以,我们急需要建造一个更好的红外望远镜来寻找这些更高红移的天体,就能更早的捕捉到这些遥远的天体。这就是詹姆斯·韦伯太空望远镜的计划,它的灵敏度将是史上最灵敏红外望远镜记录保持者斯皮策的100倍。

方案1的方法其实并不完美。如果我们想要真正的捕捉到宇宙的第一个目标,我们必须使用一个技术上我们还没有准备好的技巧。

选择二:

我们可以观测人类肉眼无法看到的远红外波段,因为远红外线几乎可以免疫中性氢!因此,这些远红外光可以离开最初诞生的恒星和星系,不受干扰地穿过中间的中性气体,最终到达我们的眼睛。这些光线已经完全红移到光谱的远红外波段范围,甚至有部分(但不完全)已经进入了光谱的微波区域!

老实说,第一批恒星、星系的光没有完全进入光谱的微波区是件好事,因为宇宙微波背景也在微波波段,并且充满全天空,这会使恒星或星系发出的光完全无法探测到!

但是,我们能看到来自早期宇宙的远红外线吗?

有件事情要知道:其实宇宙除了一个微波背景(CMB),还有一个红外背景(CIB),我们现在还不知道如何在技术上处理或屏蔽这个红外背景。

那么这种红外背景是从哪里来的?我们知道对红外线透明的中性氢非常善于吸收紫外线和可见光。它吸收这些光线以后,能量就会增加,而增加的能量就会以红外线的形式再次辐射出去。

这就像地球表面一样,会以红外线的形式将能量辐射进太空。所以对红外线透明的中性氢也是一个巨大的红外线光源。

总结

目前,我们还不知道,甚至在理论上也不清楚,如何在宇宙红外背景下提取第一颗恒星的红外信号。

因此要真正谈论宇宙的第一颗恒星、第一个星系,我们还有很长的路要走!就算詹姆斯·韦伯太空望远镜升空,想找到它们也并非易事。