今年早些时候，由我参与的一个国际天文学家团队向世界展示了一个名为 HD1 的星系。 如果得到证实，这个星系将是迄今为止发现的最遥远的天文天体。
HD1 在宇宙诞生于大爆炸后仅 3.2 亿年 时就发光了——令人惊叹地接近宇宙的起源。这个星系的光经过了令人难以置信的旅程才到达我们的望远镜，这段旅程持续了约 134 亿年。作为对比，恐龙仅在 2 亿年前在我们的星球上漫游，而地球的整个历史始于 45 亿年前。当最终在我们望远镜中注册的光子离开 HD1 时，我们的星球还不存在——太阳系本身的出现还在近 90 亿年之后。
这场旨在瞥见最古老、最遥远天体的新型太空竞赛背后的原因是什么？探测来自原始宇宙黑暗中的光，无疑带有一些诗意——甚至是史诗般的意味。但这里有更深刻的动机在起作用。简而言之，天文学家正在寻求完成一项持续数千年的任务，以绘制宇宙及其演化的地图。研究像 HD1 这样的古老天体可以帮助填补我们知识中长期存在的空白，使我们最终能够确切地看到宇宙是如何从混沌的等离子体广阔空间转变为天空中熟悉的星系、恒星和行星排列的。
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研究遥远的天体源需要了解是什么天体物理源产生了它们的光。我们的团队已经提出了几个 对 HD1 的解释。我们认为，光必须来自数十亿颗异常巨大恒星的集体光芒，或者来自吞噬大量气体的超大质量黑洞。
天文学家经常尝试通过研究光谱来推断数十亿光年外的光源的性质，光谱这个词用来表示我们将光分解成其组成颜色时观察到的光。这可能是一项复杂的任务——就像试图了解地平线上的大型帆船是充满敌意的海盗船还是无害的商船，只能借助旧式航海双筒望远镜，并且在浓雾中。在这种情况下，关于光源的信息不可避免地是不完整的，确定性是难以捉摸的。
HD1 的光揭示了一些令人困惑的事情：比时间和空间上更接近我们的其他星系表现出更强的紫外线辐射。如果恒星主要产生这种光，它们应该与我们的太阳有些不同，释放出更多高能光子。考虑到我们对 HD1 的观测可以追溯到很久以前，这些发光天体源可能是宇宙中形成的第一批恒星——所谓的 第三星族 恒星。这种恒星迄今为止从未被观测到，据认为比我们的太阳更重、更大、更热。或者，来自 HD1 的辐射与我们预期的来自质量高达一亿个太阳的超大质量黑洞的光兼容。这大约是人马座 A* 的 25 倍，人马座 A* 最近被事件视界望远镜 成像 在我们银河系中心。
无论其起源如何，HD1 的光都是来自非常遥远且相当黯淡的过去的“瓶中信”，当时恒星和星系都是相对稀有的宇宙事物。当 HD1 发光时，宇宙终于退出了天文学家称之为宇宙黑暗时代的时期：一个持续约一亿年的时期，基本上没有任何发光的天体物理天体。第一批恒星和黑洞才刚刚开始形成，首次用可见光填充宇宙。
这个星系比之前的记录保持者，2016 年发现的星系 GN-z11 早 1 亿年，比铜牌获得者，2015 年发现的星系 EGSY8p7 早 2.5 亿年。星系的距离是用一种基于宇宙学红移概念的巧妙技术测量的，宇宙学红移是宇宙膨胀产生的：天体源越远，它远离我们的速度就越快，而这些遥远星系的退行速度会使它们光谱的波长发生偏移。例如，一个发出纯紫色光的光泡，如果放置在宇宙中大致对应于从地球看到的红移为 1 的区域，则会呈现深红色。通过将这些星系的观测光谱与静止光源的光谱进行比较，我们可以推断出星系远离我们的速度，从而推断出它们有多远。
如果说整个宇宙历史是一本书，那么红移就像页码，指示故事中发生的事情的时间。不幸的是，并非所有章节对我们都是可见的——宇宙黑暗时代构成了本书大部分缺失的页码。想象一下阅读莎士比亚的《哈姆雷特》，跳过一些最初的场景。你会从某人在丹麦城堡的城垛上在黑暗中低语，过渡到王子看到鬼魂并刺穿挂毯。发生了什么事？这就是天文学家面临的情况。我们现在对一切是如何开始的有了很好的描述：大爆炸理论已经成功地解释了我们宇宙的特征。只需几个数字，称为 宇宙学参数，就可以充分描述宇宙的初始条件，数十年的观测以惊人的精度证实，宇宙历史似乎始于从一个单一的、仍然神秘的原始点的猛烈膨胀。
但是，当物质从早期的白炽状态冷却下来，并且相对简单的初始条件演变成复杂的复杂性时，阴影笼罩了宇宙。这就是宇宙历史裂痕的根源，天文学家在其中徘徊的黑暗。可以肯定的是，在大爆炸后几亿年——在宇宙学尺度上只是眨眼一瞬间——巨大的阴影开始消退。巨大的气体云坍缩，或许比我们的太阳重数百倍的恒星开始发光，开始了光子的洪流，经过漫长的岁月，照亮了宇宙。在这个短暂的宇宙时期，我们故事的所有主角，包括黑洞和星系，都开始从宇宙舞台的黑暗帷幕后面探出头来。第一批恒星主要由氢和氦组成，元素周期表中最轻的元素，因为较重的元素当时还不存在。当这些恒星及其后来的同类 嬗变 这些轻元素变成较重的碳、氮、氧和其他对我们今天所知的宇宙至关重要的元素。这些元素，这些早期恒星的灰烬，最终形成了我们周围观察到的一切——包括你和我。
为了充分理解我们宇宙历史编年史中的这个里程碑，我们必须填补围绕它的缺失页码。第一批恒星、黑洞和星系是如何形成的？它们有多大，它们生长得有多快，它们的演化是如何相互关联的？从简单到复杂的宇宙转变是如何至少导致一个世界，让好奇的生物仰望天空，充满惊奇？如果没有这些来自少数但至关重要的章节的细节，我们对宇宙和我们在宇宙中的位置的理解将永远是不完整的。
这就是天文学家正在寻找越来越遥远的天体源的最深刻、最纯粹的原因。我们很荣幸生活在一个前所未有的强大望远镜可以帮助我们进行这项宇宙探索的时代。最近发射的 詹姆斯·韦伯太空望远镜 在寻找宇宙黎明时期的第一缕曙光方面发挥着主要作用。许多其他望远镜也将发挥作用，包括 罗马太空望远镜 和 新一类 巨型地面天文台。
超过 130 亿年的宇宙演化导致了这一刻——我们。想到我们在这个渺小而孤独的星球上的行为最终可能是宇宙认识自身的最深刻表达，这既令人暖心又令人警醒。
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