探索宇宙中最遙遠的星系

我們正站在書寫一部近乎完整的宇宙歷史的邊緣。天文學家們現在已經觀測到可以追溯到大爆炸後97%時間的星系，大爆炸發生在138億年前。

其中一個名為SPT0615-JD的星系，其光線在133億年前開始朝地球 journey。在2017年，它抵達了哈勃太空望遠鏡，我們首次透過我主持的再電離透鏡星系團巡天（RELICS）專案瞥見了它，該專案旨在尋找宇宙中的首批星系。RELICS專案從2015年10月執行至2017年10月，佔用了哈勃望遠鏡超過100小時的觀測時間和斯皮策太空望遠鏡超過900小時的觀測時間。該專案發現了來自宇宙最初十億年的300多個星系候選者。

這些天體非常引人入勝，因為它們為了解我們歷史中仍然完全未知的一小部分提供了一個視窗。透過研究這些天體，我們希望瞭解第一批星系是如何形成並影響新生宇宙的。例如，我們認為像SPT0615-JD這樣的星系透過向外噴射紫外線來改變早期空間，這些紫外線被它們周圍的氣體吸收，將宇宙最初的中性原子重新變成它們最初的孤立質子和電子（這個過程被稱為再電離）。然而，這個過程如何以及何時發生的細節仍然不清楚。幸運的是，我們正在觀測的古老星系將會改變這一點。

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最初的星系

早期的星系與我們今天所知的星系不同。最初的星系更加原始，主要由氫氣和氦氣組成。隨著時間的推移，它們的恆星會聚變原子形成更重的元素，當這些恆星在超新星爆發中死亡時，重元素會分散到整個星系中，用“星塵”豐富它們，包括創造生命所需的元素。最初的星系尚未像我們現在看到的周圍星系那樣，形成雄偉的螺旋圖案或蓬鬆的橢球體。它們更加無序，體積也小得多（這使得它們更難找到）。我們看到的最早的星系大約是我們銀河系大小的1%，但它們正在迅速增長，以驚人的速度形成新的恆星。當時的燃料非常充足；早期星系沐浴在涼爽的氫氣流中，這些氫氣流被引力向內吸引。星系彼此碰撞並頻繁合併，加速了它們的增長並引發了新的恆星形成爆發。隨著宇宙隨時間推移而膨脹，星系的增長速度減慢，重大合併變得不那麼頻繁，氣體供應也變得稀薄。

這就是我們對宇宙歷史的基本理解。我們仍在努力填補細節，許多問題仍然存在，尤其是在最早的時期。第一批星系是什麼時候形成的？它們有多小？它們看起來像什麼？它們是未來星系的“構建模組”，具有單一的大型恆星形成區域，還是它們更分散和成團？它們都爆發了強烈的恆星形成，還是有些更放鬆，像今天的大多數星系一樣？早期的星系是否有時間像銀河系那樣穩定成星盤，還是它們合併過於頻繁而無法做到這一點？我們是否會找到任何充滿原始氫氣和氦氣的星系，還是最初的超新星過快地用更重的元素豐富了它們？早期星系以多快的速度積累質量和數量？它們是否真的負責宇宙的再電離？憑藉RELICS的結果，我們將朝著回答這些問題邁出又一步。

宇宙放大鏡

RELICS依賴於一種稱為引力透鏡的技術來窺探遙遠的過去。我們利用了自然界自身的放大鏡，即巨大的星系團。這些星系群擁有如此巨大的總質量，以至於根據愛因斯坦的廣義相對論，它們的引力彎曲了空間和時間。當來自更遙遠物體的光線在宇宙中傳播時，它會沿著星系團周圍彎曲的時空傳播，並在途中被放大。當它到達地球時，遙遠的物體看起來會扭曲和拉伸，有時還會出現多個影像。如果這種效應看起來很抽象，您可以在下一杯葡萄酒中找到類似的例子。透過酒杯的底部看一支點燃的蠟燭，您會看到火焰的多個放大影像。

被放大的星系比正常的星系更亮，細節也更清晰，這使我們能夠更好地研究它們的屬性。觀測天空中的強透鏡區域的另一個優勢是，與觀測像著名的哈勃深場這樣的“空白”區域相比，我們能更有效地發現遙遠的星系。這個結果並不明顯，實際上存在一個權衡。透鏡放大作用使更多微弱的星系進入視野。但它也放大了包含較少星系的較小區域。哪種效應占上風？當許多微弱的星系透過放大作用進入視野，彌補了面積的損失時，透鏡效應就會佔上風。在早期宇宙中，小型微弱的星系非常豐富，這意味著透過搜尋星系團強透鏡作用下的影像，我們可以探測到更多遙遠的星系。

過去七年中執行的三個最大的哈勃計劃都使用了星系團引力透鏡來搜尋遙遠的星系。這些計劃也與斯皮策合作，斯皮策在比哈勃更長的紅外波長下進行觀測。第一個是哈勃星系團透鏡和超新星巡天（CLASH），這是一個為期三年的專案，由巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所（STScI）的馬克·波斯特曼領導，旨在觀測25個星系團。我幫助撰寫了提案並分析了影像，並在2012年發現了MACS0647-JD，這是一個在大爆炸後僅4.2億年被觀測到的星系。這是已知最遙遠星系的有力候選者，僅在2016年被耶魯大學的帕斯卡·厄施發現的星系超越，該星系比MACS0647-JD早2000萬年出現，這次是使用宇宙組裝近紅外深河外遺產巡天（CANDELS），這是一個哈勃對相對空白的天空區域進行的大規模掃描，沒有強透鏡作用的輔助。

在CLASH取得成功之後，我幫助說服了當時的哈勃主任馬特·芒廷，將星系團納入下一個大型哈勃計劃：前沿場，由STScI的詹妮弗·洛茨領導。該專案效仿了之前的哈勃深場計劃，後者凝視天空的小片區域長達數天。這些早期專案針對的是科學家能夠找到的最空曠的天空區域，沒有相對明亮的“近距離”星系（僅在數十億光年之內），這些星系會阻擋我們對更遙遠宇宙的視野。第一張哈勃深場影像結合了1995年10天內拍攝的342次曝光，這是一個啟示：在臂長處握著的一粒沙子大小的空白天空區域中，出現了大約3000個星系。隨後的哈勃深場南區和超深場同樣小心地避開了附近的星系。前沿場大膽地打破了這一傳統，獲得了包含一些最密集星系集中區域的六個區域的深空影像，這些區域距離我們30億至50億光年。該專案還觀測了附近的六個相對空白區域，更符合之前的深場計劃的傳統。透過利用引力透鏡增強哈勃和斯皮策的能力，前沿場揭示了有史以來觀測到的最小和最微弱的遙遠星系。

過去的遺蹟

在CLASH之後以及前沿場正在進行的情況下，天文學家是否會批准另一個大型哈勃提案來觀測星系團尚不清楚。但我發現，許多巨大的星系團從未被哈勃在近紅外波長下觀測到，而在近紅外波長下，遙遠的星系將會出現。（隨著宇宙膨脹，來自遙遠物體的光線被拉伸並向更長、更紅的波長移動——這種效應稱為紅移。）我發現了一組天然望遠鏡，我們尚未透過它們進行觀測，以尋找最初十億年中的星系。

我在歐洲航天局普朗克空間望遠鏡於2015年製作的星表中追蹤到了這些星系團。普朗克以其宇宙微波背景（CMB）的詳細全天影像而聞名——宇宙中最早觀測到的輻射。但它也能夠透過記錄星系團對CMB光的扭曲效應來編目1000多個巨大的星系團。這些星系團中的大多數都是眾所周知的，但許多是新發現的。我發現星表中質量最大的星系團阿貝爾2163僅在可見光波長下被哈勃觀測到，而沒有在近紅外波長下觀測到。第二個質量最大的星系團——PLCK G287.0+32.9，普朗克最近的發現之一——已經在地面成像中顯示出是一個極好的透鏡，但哈勃尚未對其進行觀測。

我編制了一份包含41個缺乏哈勃近紅外成像的巨大星系團的列表，並組建了一個天文學家團隊，以幫助撰寫一份大型提案來觀測它們。我們請求在哈勃繞地球執行的190個軌道期間使用它——大約佔當年可用提案觀測時間的5%，相當於超過100小時的觀測時間。一旦所有哈勃提案都提交了，來自世界各地的天文學家聚集在巴爾的摩對它們進行審議。我們的團隊很幸運地在2015年6月得知，我們的提案被接受為哈勃科學執行第23個完整年度中最大的通用觀測者計劃。

RELICS使用哈勃的廣域相機3紅外通道（WFC3/IR）觀測了所有41個星系團。我們還使用望遠鏡的高階巡天相機（ACS）在紅色、綠色和藍色可見光波長下觀測了它們（如果它們尚未被觀測到）。更高解析度的ACS影像幫助我們測量星系團的透鏡特性，並估計在WFC3/IR影像中發現的遙遠星系的放大倍數。我們在跨越0.4到1.7微米的七個不同波長下進行了觀測，使我們能夠將每個星系的光線分離成其組成顏色。透過觀察已知的發光特徵，例如中性氫吸收的特定波長，我們可以估計星系的光線被紅移了多少，以及因此它有多遠。

我們還獲得了斯皮策望遠鏡945小時的觀測時間，這些提案由加州大學戴維斯分校的瑪魯莎·布拉達奇領導，斯皮策主任湯姆·索伊弗做出了重要貢獻。斯皮策的波長提供了早期星系中恆星的更完整普查，使我們能夠測量它們的恆星質量，以及它們是否真的像哈勃影像中顯示的那樣遙遠。

發現

SPT0615-JD在2017年向一位名叫佈雷特·薩爾蒙的博士後天文學家揭示了自己，他是由我自己和RELICS副首席研究員、STScI的拉里·布拉德利聘請的。它並沒有立即從哈勃影像中像它那樣獨特的物體一樣跳出來。星系對我們來說可能因為不同的原因而呈現紅色。有些是高度紅移的，例如SPT0615-JD。另一些則被塵埃籠罩，塵埃吸收了較藍的光，然後將其重新發射為紅外光，使星系看起來比實際更紅。還有一些紅星系只是更古老——它們已經有一段時間沒有形成許多新的恆星了，而剩下的恆星是壽命更長的紅色恆星。紅星系也可能是這些的任何組合：紅移、塵埃和古老。

斯皮策在三到五微米波長下的觀測對於幫助我們區分遙遠的紅移星系和不那麼遙遠的、本質上是紅色的星系至關重要，後一種星系在斯皮策的波長下會顯得更亮。事實上，我們最初在哈勃影像中發現了三個候選星系（包括SPT0615-JD），它們似乎位於紅移z約為10的位置，可以追溯到宇宙不到5億年前，即130多億年前。然而，對斯皮策觀測結果的分析表明，其中兩個星系更有可能位於紅移約為2的位置，當時宇宙“僅”有30億年曆史（幾乎是其當前年齡的四分之一）。* SPT0615-JD在斯皮策分析中倖存下來，成為更可能的紅移10候選者。

將薩爾蒙的哈勃分析與加州大學戴維斯分校的維多利亞·斯特雷特的斯皮策分析相結合，我們發現來自SPT0615-JD的光線在1.34微米左右下降，所有較小波長的光線都消失了。這種光線在激發嬰兒宇宙中的氫氣或再電離氫氣，將原子變回離子時被吸收了。SPT0615-JD光譜中的硬性斷裂非常有用，因為它使我們能夠測量其距離。雖然我們在1.34微米左右看到了斷裂，但我們知道中性氫吸收波長小於0.1216微米的極端紫外線。SPT0615-JD光譜中原始斷裂和觀測到的斷裂之間的比率揭示了宇宙膨脹了多少，它的光線被紅移了多少，以及因此它有多遠。

我們看到SPT0615-JD的紅移為10，當時宇宙僅為其當前年齡的3.5%。這個年代測定使SPT0615-JD成為我們所知的最古老的星系之一。已知還有兩個星系稍微遙遠一些，紅移為11，觀測時間為宇宙4億年前。但哈勃望遠鏡將這些星系顯示為簡單的紅外點，太小了，我們無法辨別有關其內部結構的任何細節。SPT0615-JD是特殊的。它的光線被引力透鏡拉伸和放大，為我們提供瞭如此早期星系的最詳細檢視。

在我們目前的觀測中，它可能看起來並不起眼，但我們希望拍攝更深的哈勃影像，以揭示更多細節，並揭示加州大學歐文分校的瑞秋·帕特諾-馬勒預測的這個星系更微弱的透鏡化多重影像。我們還有一個被接受的阿塔卡瑪大型毫米波陣列（ALMA）觀測計劃，我們希望該計劃能夠證實我們的距離測量，並揭示氧，這將是迄今為止對這種重元素的最早探測。我們還將提出使用NASA的下一個旗艦天文臺——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）進行觀測的提案，JWST可以提供星系內部運作的詳細影像，測量其對再電離的貢獻，並揭示其化學成分，無論是原始的氫氣和氦氣，還是富含更重元素。

SPT0615-JD是RELICS最引人注目的發現，但我們還在宇宙的最初十億年中發現了300多個古代星系候選者（仍有待證實）。其中有已知最亮的星系，可以追溯到這些早期，這將使我們能夠非常詳細地研究它們。起初，我發現這很令人驚訝，因為地面望遠鏡已經觀測了天空區域的許多倍。但在計算了數字之後，結果正如預期的那樣。透過使用哈勃、斯皮策和透鏡的優勢，RELICS能夠揭示在這些距離上更亮的星系。

我們故事中的空白

我們透過RELICS發現的古代星系正在幫助填補宇宙學史書中缺失的一塊。科學家們對時間的最初時刻有一個基本理論，即大爆炸啟動了宇宙，空間在一個稱為暴脹的時期迅速膨脹。在空間和時間誕生後約38萬年，宇宙已經冷卻到足以形成第一批原子並讓光自由傳播。我們今天將那種餘輝視為CMB。

在那張快照之後，接下來是我們故事中4億年的空白。我們尚未觀測到任何在那個時間存在過的單個物體。宇宙歷史的那3%對我們來說是未知的。但我們確實知道那段時期發生了許多重大事件。第一批恆星可能在大爆炸後1億年形成。然後，我們認為，恆星開始聚集，最終形成第一批星系。來自這些星系的光線流出並散射到氫原子上，使其電離並釋放出電子。

透過研究這些星系來理解這個過程是如何發生的，對於填補我們起源故事中缺失的頁面至關重要。RELICS和之前的專案——如CLASH、CANDELS和前沿場——正在大步前進，但我們預計當JWST發射時，會有更大的飛躍。這個天文臺計劃於2021年發射，將是人類有史以來最強大的回顧最早時期的工具。與之前的望遠鏡相比，它使用更大的鏡面在更長的波長下進行觀測，它將能夠以比以往任何天文臺都更好的解析度看到更微弱、更遙遠的星系。它應該能夠確定這些星系的質量和成分，以及它們對再電離的貢獻。

儘管引力透鏡已經幫助我們使用現有望遠鏡發現了遙遠的星系，但我預計這種優勢在JWST的更高紅移下會更大。當我們回顧過去時，我們發現較小的星系在總體普查中佔的比例越來越大。如果這種趨勢持續到最初的4億年，透鏡的優勢將進一步成倍增加。根據目前的估計，我預測透鏡將是JWST發現最早星系的關鍵。

JWST幾乎肯定會看到大爆炸後3億年的星系，我強烈懷疑透鏡將使我們能夠在最初的2億年內看到星系，將我們的歷史空白期縮短一半——也就是說，如果星系甚至在那麼早的時候就形成了的話。

我們需要在JWST發射後立即開始工作，因為我們可能只有短短的五到十年時間可以使用它。儘管哈勃在發射28年後仍在強勁執行，但JWST只有足夠的燃料來維持其軌道十年。它計劃在距離地球約一百萬英里的地方飛行，距離太遠，宇航員無法像對哈勃那樣多次對其進行維修、修理或新增新儀器。RELICS對於在我們擁有JWST期間最大限度地利用它至關重要，因為它已經確定了一些最佳的古代星系供新望遠鏡詳細觀測，以及JWST可以搜尋新星空的最強引力透鏡區域。

回顧過去

我們的銀河系可能與SPT0615-JD一樣古老。不同之處在於，我們看到的是我們星系現在的樣子，並且無法深入瞭解它在宇宙早期是如何 выглядеть的。由於SPT0615-JD的光線花了這麼長時間才到達這裡，我們看到的是它年輕時的化石版本。

但是SPT0615-JD和我們的星系可能有著相似的歷史，在過去的130億年中不斷增長。行星可能在SPT0615-JD星系中的恆星周圍形成。也許在其中一些行星上，生命形成了。也許其中一些生命發展出了智慧、文化、技術和太空望遠鏡。如果是這樣，他們現在可能正在透過同一個星系團回望我們，看到我們星系的類似放大影像，就像一個蒼白的紅點，那是銀河系在剛誕生後不久的樣子。

這些可能性就是我們探索宇宙前沿的原因：為了發現我們的起源，並最終找到我們自己。

編者注（12/12/18）：印刷版文章中的這句話在釋出後經過編輯，以糾正宇宙在紅移約為2時的年齡。