今年早些時候，由我參與的一個國際天文學家團隊向世界展示了一個名為 HD1 的星系。 如果得到證實，這個星系將是迄今為止發現的最遙遠的天文天體。
HD1 在宇宙誕生於大爆炸後僅 3.2 億年 時就發光了——令人驚歎地接近宇宙的起源。這個星系的光經過了令人難以置信的旅程才到達我們的望遠鏡，這段旅程持續了約 134 億年。作為對比，恐龍僅在 2 億年前在我們的星球上漫遊，而地球的整個歷史始於 45 億年前。當最終在我們望遠鏡中註冊的光子離開 HD1 時，我們的星球還不存在——太陽系本身的出現還在近 90 億年之後。
這場旨在瞥見最古老、最遙遠天體的新型太空競賽背後的原因是什麼？探測來自原始宇宙黑暗中的光，無疑帶有一些詩意——甚至是史詩般的意味。但這裡有更深刻的動機在起作用。簡而言之，天文學家正在尋求完成一項持續數千年的任務，以繪製宇宙及其演化的地圖。研究像 HD1 這樣的古老天體可以幫助填補我們知識中長期存在的空白，使我們最終能夠確切地看到宇宙是如何從混沌的等離子體廣闊空間轉變為天空中熟悉的星系、恆星和行星排列的。
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研究遙遠的天體源需要了解是什麼天體物理源產生了它們的光。我們的團隊已經提出了幾個 對 HD1 的解釋。我們認為，光必須來自數十億顆異常巨大恆星的集體光芒，或者來自吞噬大量氣體的超大質量黑洞。
天文學家經常嘗試透過研究光譜來推斷數十億光年外的光源的性質，光譜這個詞用來表示我們將光分解成其組成顏色時觀察到的光。這可能是一項複雜的任務——就像試圖瞭解地平線上的大型帆船是充滿敵意的海盜船還是無害的商船，只能藉助舊式航海雙筒望遠鏡，並且在濃霧中。在這種情況下，關於光源的資訊不可避免地是不完整的，確定性是難以捉摸的。
HD1 的光揭示了一些令人困惑的事情：比時間和空間上更接近我們的其他星系表現出更強的紫外線輻射。如果恆星主要產生這種光，它們應該與我們的太陽有些不同，釋放出更多高能光子。考慮到我們對 HD1 的觀測可以追溯到很久以前，這些發光天體源可能是宇宙中形成的第一批恆星——所謂的 第三星族 恆星。這種恆星迄今為止從未被觀測到，據認為比我們的太陽更重、更大、更熱。或者，來自 HD1 的輻射與我們預期的來自質量高達一億個太陽的超大質量黑洞的光相容。這大約是人馬座 A* 的 25 倍，人馬座 A* 最近被事件視界望遠鏡 成像 在我們銀河系中心。
無論其起源如何，HD1 的光都是來自非常遙遠且相當黯淡的過去的“瓶中信”，當時恆星和星系都是相對稀有的宇宙事物。當 HD1 發光時，宇宙終於退出了天文學家稱之為宇宙黑暗時代的時期：一個持續約一億年的時期，基本上沒有任何發光的天體物理天體。第一批恆星和黑洞才剛剛開始形成，首次用可見光填充宇宙。
這個星系比之前的記錄保持者，2016 年發現的星系 GN-z11 早 1 億年，比銅牌獲得者，2015 年發現的星系 EGSY8p7 早 2.5 億年。星系的距離是用一種基於宇宙學紅移概念的巧妙技術測量的，宇宙學紅移是宇宙膨脹產生的：天體源越遠，它遠離我們的速度就越快，而這些遙遠星系的退行速度會使它們光譜的波長髮生偏移。例如，一個發出純紫色光的光泡，如果放置在宇宙中大致對應於從地球看到的紅移為 1 的區域，則會呈現深紅色。透過將這些星系的觀測光譜與靜止光源的光譜進行比較，我們可以推斷出星系遠離我們的速度，從而推斷出它們有多遠。
如果說整個宇宙歷史是一本書，那麼紅移就像頁碼，指示故事中發生的事情的時間。不幸的是，並非所有章節對我們都是可見的——宇宙黑暗時代構成了本書大部分缺失的頁碼。想象一下閱讀莎士比亞的《哈姆雷特》，跳過一些最初的場景。你會從某人在丹麥城堡的城垛上在黑暗中低語，過渡到王子看到鬼魂並刺穿掛毯。發生了什麼事？這就是天文學家面臨的情況。我們現在對一切是如何開始的有了很好的描述：大爆炸理論已經成功地解釋了我們宇宙的特徵。只需幾個數字，稱為 宇宙學引數，就可以充分描述宇宙的初始條件，數十年的觀測以驚人的精度證實，宇宙歷史似乎始於從一個單一的、仍然神秘的原始點的猛烈膨脹。
但是，當物質從早期的白熾狀態冷卻下來，並且相對簡單的初始條件演變成複雜的複雜性時，陰影籠罩了宇宙。這就是宇宙歷史裂痕的根源，天文學家在其中徘徊的黑暗。可以肯定的是，在大爆炸後幾億年——在宇宙學尺度上只是眨眼一瞬間——巨大的陰影開始消退。巨大的氣體雲坍縮，或許比我們的太陽重數百倍的恆星開始發光，開始了光子的洪流，經過漫長的歲月，照亮了宇宙。在這個短暫的宇宙時期，我們故事的所有主角，包括黑洞和星系，都開始從宇宙舞臺的黑暗帷幕後面探出頭來。第一批恆星主要由氫和氦組成，元素週期表中最輕的元素，因為較重的元素當時還不存在。當這些恆星及其後來的同類 嬗變 這些輕元素變成較重的碳、氮、氧和其他對我們今天所知的宇宙至關重要的元素。這些元素，這些早期恆星的灰燼，最終形成了我們周圍觀察到的一切——包括你和我。
為了充分理解我們宇宙歷史編年史中的這個里程碑，我們必須填補圍繞它的缺失頁碼。第一批恆星、黑洞和星系是如何形成的？它們有多大，它們生長得有多快，它們的演化是如何相互關聯的？從簡單到複雜的宇宙轉變是如何至少導致一個世界，讓好奇的生物仰望天空，充滿驚奇？如果沒有這些來自少數但至關重要的章節的細節，我們對宇宙和我們在宇宙中的位置的理解將永遠是不完整的。
這就是天文學家正在尋找越來越遙遠的天體源的最深刻、最純粹的原因。我們很榮幸生活在一個前所未有的強大望遠鏡可以幫助我們進行這項宇宙探索的時代。最近發射的 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 在尋找宇宙黎明時期的第一縷曙光方面發揮著主要作用。許多其他望遠鏡也將發揮作用，包括 羅馬太空望遠鏡 和 新一類 巨型地面天文臺。
超過 130 億年的宇宙演化導致了這一刻——我們。想到我們在這個渺小而孤獨的星球上的行為最終可能是宇宙認識自身的最深刻表達，這既令人暖心又令人警醒。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。