探索宇宙中最遥远的星系

我们正站在书写一部近乎完整的宇宙历史的边缘。天文学家们现在已经观测到可以追溯到大爆炸后97%时间的星系，大爆炸发生在138亿年前。

其中一个名为SPT0615-JD的星系，其光线在133亿年前开始朝地球 journey。在2017年，它抵达了哈勃太空望远镜，我们首次通过我主持的再电离透镜星系团巡天（RELICS）项目瞥见了它，该项目旨在寻找宇宙中的首批星系。RELICS项目从2015年10月运行至2017年10月，占用了哈勃望远镜超过100小时的观测时间和斯皮策太空望远镜超过900小时的观测时间。该项目发现了来自宇宙最初十亿年的300多个星系候选者。

这些天体非常引人入胜，因为它们为了解我们历史中仍然完全未知的一小部分提供了一个窗口。通过研究这些天体，我们希望了解第一批星系是如何形成并影响新生宇宙的。例如，我们认为像SPT0615-JD这样的星系通过向外喷射紫外线来改变早期空间，这些紫外线被它们周围的气体吸收，将宇宙最初的中性原子重新变成它们最初的孤立质子和电子（这个过程被称为再电离）。然而，这个过程如何以及何时发生的细节仍然不清楚。幸运的是，我们正在观测的古老星系将会改变这一点。

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最初的星系

早期的星系与我们今天所知的星系不同。最初的星系更加原始，主要由氢气和氦气组成。随着时间的推移，它们的恒星会聚变原子形成更重的元素，当这些恒星在超新星爆发中死亡时，重元素会分散到整个星系中，用“星尘”丰富它们，包括创造生命所需的元素。最初的星系尚未像我们现在看到的周围星系那样，形成雄伟的螺旋图案或蓬松的椭球体。它们更加无序，体积也小得多（这使得它们更难找到）。我们看到的最早的星系大约是我们银河系大小的1%，但它们正在迅速增长，以惊人的速度形成新的恒星。当时的燃料非常充足；早期星系沐浴在凉爽的氢气流中，这些氢气流被引力向内吸引。星系彼此碰撞并频繁合并，加速了它们的增长并引发了新的恒星形成爆发。随着宇宙随时间推移而膨胀，星系的增长速度减慢，重大合并变得不那么频繁，气体供应也变得稀薄。

这就是我们对宇宙历史的基本理解。我们仍在努力填补细节，许多问题仍然存在，尤其是在最早的时期。第一批星系是什么时候形成的？它们有多小？它们看起来像什么？它们是未来星系的“构建模块”，具有单一的大型恒星形成区域，还是它们更分散和成团？它们都爆发了强烈的恒星形成，还是有些更放松，像今天的大多数星系一样？早期的星系是否有时间像银河系那样稳定成星盘，还是它们合并过于频繁而无法做到这一点？我们是否会找到任何充满原始氢气和氦气的星系，还是最初的超新星过快地用更重的元素丰富了它们？早期星系以多快的速度积累质量和数量？它们是否真的负责宇宙的再电离？凭借RELICS的结果，我们将朝着回答这些问题迈出又一步。

宇宙放大镜

RELICS依赖于一种称为引力透镜的技术来窥探遥远的过去。我们利用了自然界自身的放大镜，即巨大的星系团。这些星系群拥有如此巨大的总质量，以至于根据爱因斯坦的广义相对论，它们的引力弯曲了空间和时间。当来自更遥远物体的光线在宇宙中传播时，它会沿着星系团周围弯曲的时空传播，并在途中被放大。当它到达地球时，遥远的物体看起来会扭曲和拉伸，有时还会出现多个图像。如果这种效应看起来很抽象，您可以在下一杯葡萄酒中找到类似的例子。透过酒杯的底部看一支点燃的蜡烛，您会看到火焰的多个放大图像。

被放大的星系比正常的星系更亮，细节也更清晰，这使我们能够更好地研究它们的属性。观测天空中的强透镜区域的另一个优势是，与观测像著名的哈勃深场这样的“空白”区域相比，我们能更有效地发现遥远的星系。这个结果并不明显，实际上存在一个权衡。透镜放大作用使更多微弱的星系进入视野。但它也放大了包含较少星系的较小区域。哪种效应占上风？当许多微弱的星系通过放大作用进入视野，弥补了面积的损失时，透镜效应就会占上风。在早期宇宙中，小型微弱的星系非常丰富，这意味着通过搜索星系团强透镜作用下的图像，我们可以探测到更多遥远的星系。

过去七年中执行的三个最大的哈勃计划都使用了星系团引力透镜来搜索遥远的星系。这些计划也与斯皮策合作，斯皮策在比哈勃更长的红外波长下进行观测。第一个是哈勃星系团透镜和超新星巡天（CLASH），这是一个为期三年的项目，由巴尔的摩太空望远镜科学研究所（STScI）的马克·波斯特曼领导，旨在观测25个星系团。我帮助撰写了提案并分析了图像，并在2012年发现了MACS0647-JD，这是一个在大爆炸后仅4.2亿年被观测到的星系。这是已知最遥远星系的有力候选者，仅在2016年被耶鲁大学的帕斯卡·厄施发现的星系超越，该星系比MACS0647-JD早2000万年出现，这次是使用宇宙组装近红外深河外遗产巡天（CANDELS），这是一个哈勃对相对空白的天空区域进行的大规模扫描，没有强透镜作用的辅助。

在CLASH取得成功之后，我帮助说服了当时的哈勃主任马特·芒廷，将星系团纳入下一个大型哈勃计划：前沿场，由STScI的詹妮弗·洛茨领导。该项目效仿了之前的哈勃深场计划，后者凝视天空的小片区域长达数天。这些早期项目针对的是科学家能够找到的最空旷的天空区域，没有相对明亮的“近距离”星系（仅在数十亿光年之内），这些星系会阻挡我们对更遥远宇宙的视野。第一张哈勃深场图像结合了1995年10天内拍摄的342次曝光，这是一个启示：在臂长处握着的一粒沙子大小的空白天空区域中，出现了大约3000个星系。随后的哈勃深场南区和超深场同样小心地避开了附近的星系。前沿场大胆地打破了这一传统，获得了包含一些最密集星系集中区域的六个区域的深空图像，这些区域距离我们30亿至50亿光年。该项目还观测了附近的六个相对空白区域，更符合之前的深场计划的传统。通过利用引力透镜增强哈勃和斯皮策的能力，前沿场揭示了有史以来观测到的最小和最微弱的遥远星系。

过去的遗迹

在CLASH之后以及前沿场正在进行的情况下，天文学家是否会批准另一个大型哈勃提案来观测星系团尚不清楚。但我发现，许多巨大的星系团从未被哈勃在近红外波长下观测到，而在近红外波长下，遥远的星系将会出现。（随着宇宙膨胀，来自遥远物体的光线被拉伸并向更长、更红的波长移动——这种效应称为红移。）我发现了一组天然望远镜，我们尚未通过它们进行观测，以寻找最初十亿年中的星系。

我在欧洲航天局普朗克空间望远镜于2015年制作的星表中追踪到了这些星系团。普朗克以其宇宙微波背景（CMB）的详细全天图像而闻名——宇宙中最早观测到的辐射。但它也能够通过记录星系团对CMB光的扭曲效应来编目1000多个巨大的星系团。这些星系团中的大多数都是众所周知的，但许多是新发现的。我发现星表中质量最大的星系团阿贝尔2163仅在可见光波长下被哈勃观测到，而没有在近红外波长下观测到。第二个质量最大的星系团——PLCK G287.0+32.9，普朗克最近的发现之一——已经在地面成像中显示出是一个极好的透镜，但哈勃尚未对其进行观测。

我编制了一份包含41个缺乏哈勃近红外成像的巨大星系团的列表，并组建了一个天文学家团队，以帮助撰写一份大型提案来观测它们。我们请求在哈勃绕地球运行的190个轨道期间使用它——大约占当年可用提案观测时间的5%，相当于超过100小时的观测时间。一旦所有哈勃提案都提交了，来自世界各地的天文学家聚集在巴尔的摩对它们进行审议。我们的团队很幸运地在2015年6月得知，我们的提案被接受为哈勃科学运行第23个完整年度中最大的通用观测者计划。

RELICS使用哈勃的广域相机3红外通道（WFC3/IR）观测了所有41个星系团。我们还使用望远镜的高级巡天相机（ACS）在红色、绿色和蓝色可见光波长下观测了它们（如果它们尚未被观测到）。更高分辨率的ACS图像帮助我们测量星系团的透镜特性，并估计在WFC3/IR图像中发现的遥远星系的放大倍数。我们在跨越0.4到1.7微米的七个不同波长下进行了观测，使我们能够将每个星系的光线分离成其组成颜色。通过观察已知的发光特征，例如中性氢吸收的特定波长，我们可以估计星系的光线被红移了多少，以及因此它有多远。

我们还获得了斯皮策望远镜945小时的观测时间，这些提案由加州大学戴维斯分校的玛鲁莎·布拉达奇领导，斯皮策主任汤姆·索伊弗做出了重要贡献。斯皮策的波长提供了早期星系中恒星的更完整普查，使我们能够测量它们的恒星质量，以及它们是否真的像哈勃图像中显示的那样遥远。

发现

SPT0615-JD在2017年向一位名叫布雷特·萨尔蒙的博士后天文学家揭示了自己，他是由我自己和RELICS副首席研究员、STScI的拉里·布拉德利聘请的。它并没有立即从哈勃图像中像它那样独特的物体一样跳出来。星系对我们来说可能因为不同的原因而呈现红色。有些是高度红移的，例如SPT0615-JD。另一些则被尘埃笼罩，尘埃吸收了较蓝的光，然后将其重新发射为红外光，使星系看起来比实际更红。还有一些红星系只是更古老——它们已经有一段时间没有形成许多新的恒星了，而剩下的恒星是寿命更长的红色恒星。红星系也可能是这些的任何组合：红移、尘埃和古老。

斯皮策在三到五微米波长下的观测对于帮助我们区分遥远的红移星系和不那么遥远的、本质上是红色的星系至关重要，后一种星系在斯皮策的波长下会显得更亮。事实上，我们最初在哈勃图像中发现了三个候选星系（包括SPT0615-JD），它们似乎位于红移z约为10的位置，可以追溯到宇宙不到5亿年前，即130多亿年前。然而，对斯皮策观测结果的分析表明，其中两个星系更有可能位于红移约为2的位置，当时宇宙“仅”有30亿年历史（几乎是其当前年龄的四分之一）。* SPT0615-JD在斯皮策分析中幸存下来，成为更可能的红移10候选者。

将萨尔蒙的哈勃分析与加州大学戴维斯分校的维多利亚·斯特雷特的斯皮策分析相结合，我们发现来自SPT0615-JD的光线在1.34微米左右下降，所有较小波长的光线都消失了。这种光线在激发婴儿宇宙中的氢气或再电离氢气，将原子变回离子时被吸收了。SPT0615-JD光谱中的硬性断裂非常有用，因为它使我们能够测量其距离。虽然我们在1.34微米左右看到了断裂，但我们知道中性氢吸收波长小于0.1216微米的极端紫外线。SPT0615-JD光谱中原始断裂和观测到的断裂之间的比率揭示了宇宙膨胀了多少，它的光线被红移了多少，以及因此它有多远。

我们看到SPT0615-JD的红移为10，当时宇宙仅为其当前年龄的3.5%。这个年代测定使SPT0615-JD成为我们所知的最古老的星系之一。已知还有两个星系稍微遥远一些，红移为11，观测时间为宇宙4亿年前。但哈勃望远镜将这些星系显示为简单的红外点，太小了，我们无法辨别有关其内部结构的任何细节。SPT0615-JD是特殊的。它的光线被引力透镜拉伸和放大，为我们提供了如此早期星系的最详细视图。

在我们目前的观测中，它可能看起来并不起眼，但我们希望拍摄更深的哈勃图像，以揭示更多细节，并揭示加州大学欧文分校的瑞秋·帕特诺-马勒预测的这个星系更微弱的透镜化多重图像。我们还有一个被接受的阿塔卡玛大型毫米波阵列（ALMA）观测计划，我们希望该计划能够证实我们的距离测量，并揭示氧，这将是迄今为止对这种重元素的最早探测。我们还将提出使用NASA的下一个旗舰天文台——詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）进行观测的提案，JWST可以提供星系内部运作的详细图像，测量其对再电离的贡献，并揭示其化学成分，无论是原始的氢气和氦气，还是富含更重元素。

SPT0615-JD是RELICS最引人注目的发现，但我们还在宇宙的最初十亿年中发现了300多个古代星系候选者（仍有待证实）。其中有已知最亮的星系，可以追溯到这些早期，这将使我们能够非常详细地研究它们。起初，我发现这很令人惊讶，因为地面望远镜已经观测了天空区域的许多倍。但在计算了数字之后，结果正如预期的那样。通过使用哈勃、斯皮策和透镜的优势，RELICS能够揭示在这些距离上更亮的星系。

我们故事中的空白

我们通过RELICS发现的古代星系正在帮助填补宇宙学史书中缺失的一块。科学家们对时间的最初时刻有一个基本理论，即大爆炸启动了宇宙，空间在一个称为暴胀的时期迅速膨胀。在空间和时间诞生后约38万年，宇宙已经冷却到足以形成第一批原子并让光自由传播。我们今天将那种余辉视为CMB。

在那张快照之后，接下来是我们故事中4亿年的空白。我们尚未观测到任何在那个时间存在过的单个物体。宇宙历史的那3%对我们来说是未知的。但我们确实知道那段时期发生了许多重大事件。第一批恒星可能在大爆炸后1亿年形成。然后，我们认为，恒星开始聚集，最终形成第一批星系。来自这些星系的光线流出并散射到氢原子上，使其电离并释放出电子。

通过研究这些星系来理解这个过程是如何发生的，对于填补我们起源故事中缺失的页面至关重要。RELICS和之前的项目——如CLASH、CANDELS和前沿场——正在大步前进，但我们预计当JWST发射时，会有更大的飞跃。这个天文台计划于2021年发射，将是人类有史以来最强大的回顾最早时期的工具。与之前的望远镜相比，它使用更大的镜面在更长的波长下进行观测，它将能够以比以往任何天文台都更好的分辨率看到更微弱、更遥远的星系。它应该能够确定这些星系的质量和成分，以及它们对再电离的贡献。

尽管引力透镜已经帮助我们使用现有望远镜发现了遥远的星系，但我预计这种优势在JWST的更高红移下会更大。当我们回顾过去时，我们发现较小的星系在总体普查中占的比例越来越大。如果这种趋势持续到最初的4亿年，透镜的优势将进一步成倍增加。根据目前的估计，我预测透镜将是JWST发现最早星系的关键。

JWST几乎肯定会看到大爆炸后3亿年的星系，我强烈怀疑透镜将使我们能够在最初的2亿年内看到星系，将我们的历史空白期缩短一半——也就是说，如果星系甚至在那么早的时候就形成了的话。

我们需要在JWST发射后立即开始工作，因为我们可能只有短短的五到十年时间可以使用它。尽管哈勃在发射28年后仍在强劲运行，但JWST只有足够的燃料来维持其轨道十年。它计划在距离地球约一百万英里的地方飞行，距离太远，宇航员无法像对哈勃那样多次对其进行维修、修理或添加新仪器。RELICS对于在我们拥有JWST期间最大限度地利用它至关重要，因为它已经确定了一些最佳的古代星系供新望远镜详细观测，以及JWST可以搜索新星空的最强引力透镜区域。

回顾过去

我们的银河系可能与SPT0615-JD一样古老。不同之处在于，我们看到的是我们星系现在的样子，并且无法深入了解它在宇宙早期是如何 выглядеть的。由于SPT0615-JD的光线花了这么长时间才到达这里，我们看到的是它年轻时的化石版本。

但是SPT0615-JD和我们的星系可能有着相似的历史，在过去的130亿年中不断增长。行星可能在SPT0615-JD星系中的恒星周围形成。也许在其中一些行星上，生命形成了。也许其中一些生命发展出了智慧、文化、技术和太空望远镜。如果是这样，他们现在可能正在通过同一个星系团回望我们，看到我们星系的类似放大图像，就像一个苍白的红点，那是银河系在刚诞生后不久的样子。

这些可能性就是我们探索宇宙前沿的原因：为了发现我们的起源，并最终找到我们自己。

编者注（12/12/18）：印刷版文章中的这句话在发布后经过编辑，以纠正宇宙在红移约为2时的年龄。