写在詹姆斯·韦布“满月”之后：我们找到最遥远的星系了吗？

写在詹姆斯·韦布“满月”之后：我们找到最遥远的星系了吗？ | 赛先生天文

2022/09/07

导读

淘金者们趋之若鹜，且待尘埃稍定，目及远方

导语：

去年圣诞节，人类最强“天空之眼”詹姆斯·韦布空间望远镜顺利升空，开启了观测宇宙学新的一页。。本期赛先生天文，作者先是“稀里糊涂”地进了韦布“满月礼”的大名单，最后又对韦布的“终极目标”做了追问。正如作者所说，跨时代的韦布已经逐渐进入状态，那些激动人心的结果，也将在不远的未来与我们见面。

撰文 | 孙凤梧（亚利桑那大学）责编 | 王馨心、吕浩然

稀里糊涂地进了“大名单”

2018年的时候，我还在北大天文系读本科。当时的我正在申请国外的研究生，承蒙亚利桑那大学看得上我，给我发了录取通知。我现在的导师江上英一（egami eiichi）跟我讲：“来吧，你来了之后jwst（詹姆斯·韦布空间望远镜缩写）就上天了，到时候数据一出来，有的是科研可以做。即便它再拖一年，你也可以先做做别的准备一下，比如说用地面上最大的望远镜——阿塔卡玛毫米波/亚毫米波阵列（alma）来研究遥远的星系。”

我想了想，这种三十年一遇的大望远镜机会要是真能被我赶上，岂不美哉。所以，我就来到美国西南的索诺兰沙漠里，读起了天体物理研究生，如今已四年有余。

图1：俯瞰亚利桑那大学天文系。图片来源：亚利桑那大学天文系

后来的事情，想必诸位也能猜到大概：韦布的发射计划一拖再拖，我只好做了快四年的alma。直到2021年12月25日圣诞节，它才从法属圭亚那的库鲁航天中心发射升空。说来也是好玩，我们打印机室的房门密码是某次原定的韦布发射日期，我觉得这个加密程度刚刚好——熟悉韦布的人总能记住几个日子，然后通过枚举法试验出来。

图2左：全世界最大、最昂贵的地基天文台——阿塔卡玛毫米波/亚毫米波阵列（alma），由66面天线组成、建成时耗资14亿美元；右：全世界最大、最昂贵的太空天文台，詹姆斯·韦布空间望远镜在星舰分离时的照片。图片来源：nrao; arianespace, esa, nasa, csa and cnes

今年四月底，我们系负责的韦布望远镜近红外相机（nircam）的广域无缝光谱模式（wide-field slitless spectroscopy）的调试/验收团队缺人手，江上又跟我讲：“反正你毕业课题做得也差不多了，来帮忙搞搞仪器的验收吧，毕竟你之前做过数值仿真，比较熟悉仪器。”于是我就这样稀里糊涂地成为了系里唯一一个参与了韦布验收工作的研究生，当然可能也是整个韦布验收团队里唯一的、还没拿到博士学位的研究生。七月十二号，，也发布了一份六百余人合作的望远镜科学表现评估报告，我很荣幸作为团队中的一员，出现在了文章的某个不起眼的角落。

为什么韦布堪称“跨时代”？

从那时起，韦布望远镜已经度过了其开始正常科学观测的第一个月，海量的数据被源源不断地从地球之外150万公里的地日系第二拉格朗日点传了回来。韦布望远镜是一台跨越时代的仪器，这不仅源于它几十年的准备周期、超过百亿美元的资金消耗、成千上万人参与的建造团队、前所未有的技术指标，更在于它的观测与数据分享的模式：

1. 即便望远镜仍在地面，还没有获取任何科学数据，其在线的用户文档、曝光模拟器就已经构建得相当完备；

2. 如此复杂的一台空间望远镜，其调试/验收时间被压缩到了短短六个月。在最紧张的仪器验收阶段（今年4-6月），各台仪器轮流观测、分头推进，最后产生的观测数据全部公开；

3. 对于以往的很多望远镜，用于验证望远镜科学性能的早期释放观测（early release observation, ero）往往由仪器建造团队牵头进行，其数据由所谓的保证观测时间团队（guarantee time observation; gto）进行处理、发表与公开。而韦布望远镜的ero则由stsci和nasa牵头，并在发布会后向全世界的天文学家同步公开。在7月12号公开日之前，就连我们的仪器团队都对具体拍摄结果一无所知；

4. 最后，包括一批早期释放科学（early release science, ers）观测项目和一部分普通观测者（general observer, go）的观测项目在内，相当多的科学数据只要传输到地面，就立即向全世界公开。与此相反，以往望远镜所产生的绝大多数观测数据都有12个月的保护期，在此期限中，只有申请观测的团队才能够拿到这些数据，可谓“肥水不流外人田”。

完备的用户文档、超高的数据质量和前所未有的快速数据公开流程共同造就了韦布望远镜的“淘金热”——当白宫截胡了stsci的首张深场照片，并由拜登主持了首场科学图像发布会时，世界各地的天文学家都透过一个编号为smacs0723的引力透镜星系团，看到了以往从未曾见过的遥远宇宙。

超高的分辨率和极低的噪声使得分辨星系团中暗弱的矮星系、球状星团成为可能；透过人眼所不能见的红外光，我们看到了遥远的、飞速膨胀的宇宙中一个又一个的暗弱星系。同时，引力透镜将其放大、拉伸，使得它们超出了原本的亮度，就如你案前的放大镜所做到的那样。将一粒沙子放在掌心，伸开手臂观察，这就是这片星系团在地球上所能看到的大小。而这片小小的、只花费了韦布望远镜半天时间的观测，却成为了天文学家对新时代的观测宇宙学的初见。

图3：2022年7月11日由白宫抢先发布的，由韦布望远镜拍摄的smacs0723深场照片。星芒狭长锐利的天体为银河系中的恒星，其余的均为遥远的背景星系，它们大多距离我们几十至一百余亿光年。图片来源：nasa, esa, csa, and stsci

韦布最重要的任务

遥远的宇宙藏匿在红外光之中。一个世纪以前，埃德温·哈勃向我们揭示了一个膨胀的宇宙，在空间的膨胀之下，宇宙中的几乎一切都在逐渐远离彼此。在更为遥远的宇宙中，星系远去（退行）的速度也更大，有些甚至看起来超过了光速，使得我们今日的信息再也无法抵达如此遥远的地方。这也使得我们在可见光里可见的几乎一切，都因多普勒效应而发生了红移，最终隐藏在了红外波段。至于红外波段对茫茫星尘更强的穿透力，那便是后话了——总之，对于天文学中的已知和未知，我们都可以试图在红外光中找到踪迹。

一千个读者有一千个哈姆雷特，一千个天文学家也有一千个韦布望远镜。尽管我也会为最近韦布探测到系外行星大气中的二氧化碳而感到振奋，但作为一个对宇宙深处更感兴趣的人，我还是觉得：韦布最重要的任务，莫过于为我们揭示最遥远的星系。

在静止系波长121.6纳米的地方，有一条氢原子从基态到第一激发态的跃迁谱线被称为莱曼α线。因为高红移宇宙更高的中性氢密度，比这条谱线更蓝的光子会被氢原子吸收、散射，使得星系原本接近平整的光谱出现巨大的断崖。因此，这一特征便被进一步用来筛选高红移星系。而真正的认证则需要通过光谱观测，识别星系中的一些发射或吸收特征的来源（氢、氦、碳、氧等元素），从而确定星系的红移，得知它们的远近。打一个粗略的比方，这里“筛选“和”认证“的差别，大致如防范新冠时的扫码测温和核酸检测——哪个更准确、更昂贵，相信读者一眼便知。

图4：2022年7月12日韦布望远镜图像发布会上展示的一条来自于红移8.5的星系的光谱，其中氢（hydrogen、红色）、氧（oxygen、蓝色）、氖（neon、绿色）的谱线清晰可见。这些谱线的存在确凿地说明这个星系发出的光来自于131亿年以前。图片来源：nasa, esa, csa, and stsci

在韦布上天之前，最遥远的有光谱认证的星系是由北京大学江林华老师的团队确认的，这个被称为gn-z11的不起眼亮点，它的红移足足有11之多，这也就是其编号中z11的来源。在宇宙大爆炸后的4亿年，这些星系中的微不足道的一部分光在空间中穿行了足足133亿年才到达了太阳系，并被人类的望远镜所记录下来。之后，日本学者播金优一（harikane yuichi）的团队声称找到了红移13的星系，不过其光谱在我看来置信度不够高。当然，江老师指导了我的本科毕业论文，这也许是我觉得gn-z11更可靠的原因之一（笑）。

“淘金者”营前的“公告牌”

于是，当7月14号韦布望远镜的ero观测数据开始释放，研究高红移宇宙的天文学家们便如鲤鱼跃龙门一般，涌向刚刚开门的数据库，这之中也包括我自己。

我觉得以“淘金者”来形容此时的天文学家再贴切不过，因为最遥远的星系就是藏在茫茫数据中的金子，单凭个人的努力，以人工的方式去寻找，难度正如沙里淘金。有经验、有准备的团队会集结作战：图像处理、选源测光、模型拟合、制图制表、修改论文等分工明确，各有人负责。最终，这样一篇“淘金”论文便新鲜出炉，并在随后被挂在预印本论文网站arxiv上，正如淘金者营地前的那几面公告牌（billboard）。

当然，在淘金热里稳赚不亏的人永远是那些搞“食宿配套”的——smacs0723是一个大质量的星系团，若想要正确解释星系团背后的遥远星系，则需要借助前景星系团的引力透镜模型，将被扭曲、拉伸的影像还原回去。在淘金者将他们的金沙展示给众人之前，几篇很“适时”地讨论引力透镜模型的论文都在短时间内拿到了相当高的关注和引用数据。

图5：几篇七月初讨论引力透镜模型的论文，都在短短一个月内拿到了十几次引用。图片来源：sao/nasa ads

2022年7月20号，此时距离韦布第一批原始数据释放仅仅过去了六天，两个团队就不约而同地公布了他们所发现的第一批“最远星系“的候选体。来自哈佛大学天体物理中心的博士毕业生rohan naidu和意大利罗马天文台的marco castellano各自领衔的团队，利用韦布早期释放科学（ers）中由glass项目拍摄到的图像数据，同时发表了两个红移12左右的候选体。以naidu论文手稿中的图示为例，其中一个星系在1.5微米以下的波长范围内几乎没有任何被探测到的痕迹，这说明静止系下121.6纳米的断崖特征已经红移到了1.5微米左右，即红移12附近（1.5微米÷121.6纳米≈12.3）。如果属实，这会成为目前我们探测到的最遥远的星系，比之前江林华团队认证的星系还要早上几千万年。

图6：rohan naidu论文中的第一个红移~12的星系。从蓝到红的多波段影像展示于上图中，左下图为所谓的“光谱能量分布“，可以看到位于1.5微米处星系连续谱的断裂，其可能对应的红移概率分布被展示在了右下图中。图片来源：https://arxiv.org/abs/2207.09434

当然，随着更多的数据被更多的团队分析，更多可能更为遥远的星系也被陆陆续续发掘出来，并被挂在“公告牌”上。作为另一个早期释放科学观测项目ceers的首席研究员（pi），德州大学奥斯汀分校的steven finkelstein带领了一个一百余人的团队，在7月27日公开了一个红移14的候选体，并将其取名为“maisie的星系”，以庆祝该星系发现当天他女儿的九岁生日。

再后来，一些红移15以上乃至20的候选体又被不同的团队识别出来（巴黎天文研究所的hakim atek、密苏里大学的严皞璟、东京大学的播金优一等团队），一时之间，arxiv上的天体物理版面热闹无两。7月25日，当我自己的第一篇基于韦布的论文在预印本网站上公开时，整个版面上竟然同时有11篇基于韦布望远镜的、关于遥远星系的论文！

尘埃稍定，目及远方

不过需要强调的是，到目前为止，这些可能超过红移10的遥远星系都只能被称作“候选体“。我们也许已经找到了新的”最遥远的天体“，但是打磨、认证的过程还需要一些等待。如前所述，认证这些星系距离的不二法门是拍摄光谱，并辨识出其中谱线的来源，而新观测的申请、批准、执行和数据分析都需要较长的周期，不能一蹴而就。

一些望远镜、天文台会允许用户申请”台长自由裁定时间“（director’s discretionary time, ddt），用于观测最近刚刚发现的、亟需观测且能产生巨大科学影响的目标源。针对上文提到的在glass数据中识别出的两个遥远星系，已经有天文学家申请了文章开头提到的alma天文台的ddt项目，并对这些星系中可能存在的氧的发射线进行搜寻。

不过据我所知，目前并没有成功的探测。这可能说明这些星系中氧元素的丰度很低，因为氧的产生需要成年累月的恒星核合成，故在遥远的宇宙中这条谱线可能非常暗弱。当然，另一种我们不愿意看到的可能性是：这两个星系的红移并没有估计得那么高，所以真实的氧线的波长并不在已搜寻的范围内。

对于观测宇宙学而言，搜寻最遥远的星系是极为重要的，因为当光子从这些早期宇宙中的星系里发射出来的那一刻，它就成为了永恒。这让我们得以窥见宇宙、星系乃至我们自己（即星尘）过去的样子。引力的强大作用使得有序的结构逐渐、逐级形成，而理解最早的、最大质量的结构——即星系和其集群——则直接告诉了我们宇宙的构筑历史，以及大爆炸、冷暗物质等宇宙学标准模型是否正确。

因此，当新的观测窗口被打开，数据以前所未有的方式被分享，天文学家们争先恐后地汇报前所未见的景象也是可以理解的。只不过我们需要记得，当小猎犬号乘着向西的信风离开加拉帕戈斯群岛时，距离随舰的博物学家查尔斯·达尔文写出《物种起源》还需要再等二十余年。

图7：加拉帕戈斯群岛上的地雀在被发现的几十年后，为我们揭示了物种的起源；韦布望远镜今天拍摄到的一个个灰暗的光点，在几十年、几世纪后，是否也会被反复提起？图片来源：lack (1947), grant (1986) after swarth and bowman.

韦布望远镜正式的“满月”已经让我们见证了前所未有的精彩，而这只是其五年的预期服役期、接近二十年的剩余推进剂寿命的开始。由于望远镜的调试/验收期仅有短短六个月，相当多的校准工作并没有做完，而是需要在接下来为期一两年的观测期内逐步补全、逐渐迭代，并将数据处理流程逐步完善。

由于望远镜的大口径和无大气干扰的环境，韦布极高的分辨率会给指向校准、数据叠加带来计算上的考验。另外，现代天体物理学的测量往往依赖于天体的绝对亮度，而这需要望远镜对大量标准恒星在不同波长上的的观测、建模，从而把手头上的“尺子“搞准；到本文撰稿时，这些工作还远没有完成。

目前的韦布数据处理流程还没有“最优解“，现已公开的科学论文都只能说是在目前探索的前沿。这意味着目前利用韦布望远镜对高红移星系的探索，都可能会或多或少地出现一些偏差。荷兰莱顿大学的天文学家rychard bouwens8月3号在其推特上说，截至当时已公开的论文中，已有195个由韦布“探测”到的红移7以上星系候选体，但仅有区区16个天体同时被两个以上的团队独立发现。

当然，推特上的一条短讯是不需要同行评议的，若当真如此，这会说明有相当一部分的“最遥远星系”可能仅仅是一时疏忽。

科学研究的推进，离不开从业者的热忱、高效与无私分享。在韦布开始正常观测的第一个月里，我们已经能看到在这些精神与当代信息科技的加持下，观测宇宙学前所未有的突飞猛进。在硬币的另一面，我们也需要多那么一些耐心和细致。当初来乍到所激起的尘埃稍稍落定之后，我们也许才能将目光投送到更远的地方。事实上，最近一周基于韦布望远镜数据的预印本论文数量已有所下降，可能更加激动人心的结果就正在酝酿与打磨的过程之中，并将在不远的未来，与我们见面吧。

制版｜livan

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