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“你們的望遠(yuǎn)鏡能看多遠(yuǎn)？”

在天文臺(tái)工作，這是一個(gè)經(jīng)常被問到的問題，可每每給出的答復(fù)都不能令提問者滿意……

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人類的空間和時(shí)間觀念的起源一定與我們頭頂?shù)男强障喟橄嗌?，而后延伸到宇宙——四方上下，古往今來。星空所呈現(xiàn)出的持續(xù)性、周期性和指引性吸引人類長久的凝視和沉思。

01

目之所及

在晴朗、無月、零光害的夜空，肉眼最暗能看到6等星（視星等），能看到最遠(yuǎn)的行星、恒星、星系分別是：天王星、海山二和仙女星系/三角星系。

〇 天王星

這顆淺藍(lán)綠色的行星距離地球平均25億公里，光行時(shí)間2小時(shí)40分鐘，視星等6等左右，沖日（每1年零4-5天發(fā)生一次）時(shí)最亮可達(dá)5.5等。

〇 海山二（η Carinae船底座）

是一顆南天恒星，也是迄今人類發(fā)現(xiàn)隨時(shí)有可能超新星爆發(fā)的恒星之一，距離地球7500光年，當(dāng)前視星等為4.3等。

〇 華蓋三（V762 Cas 仙后座）

曾被認(rèn)為是肉眼可見的最遠(yuǎn)的恒星（估計(jì)距離約1.4萬光年），然而根據(jù)最新的Gaia EDR3結(jié)果，其距離僅約2500光年。

另外，還有一些距離地球1萬光年左右的恒星，視星等在肉眼可見邊緣，具體談?wù)撃囊活w最遠(yuǎn)意義不大，它們大多是變星，亮度非常不穩(wěn)定，視星等的數(shù)據(jù)也可能不夠準(zhǔn)確。

〇 仙女星系M31/三角星系M33

距離地球分別為254萬光年和300萬光年，視星等分別為3.44和5.72，空中相距約15度，都在奔赴銀河系的路上。

當(dāng)然還有超新星、伽馬暴等瞬變天體現(xiàn)象，可以短時(shí)間內(nèi)把人類目之所及延伸到幾十億光年。

02

“時(shí)光機(jī)”與“地平線”

用時(shí)間表示距離，自古有之。天文學(xué)上用“光年”表示距離也有近200年的歷史了。愛因斯坦相對(duì)論基于光速不變的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，把時(shí)間和空間緊密聯(lián)系在一起。人類仰望星空實(shí)際上是在回溯時(shí)空。距離越遠(yuǎn)，時(shí)間越早，越古老。

望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明延伸了人類的視野，像一臺(tái)神奇的“時(shí)光機(jī)”，讓我們有機(jī)會(huì)望向宇宙深處的“地平線”，看穿宇宙的過往，這恐怕也是天文學(xué)富有吸引力的原因之一。正如在埃德溫·哈勃的眼中：天文學(xué)的歷史是不斷退后的“地平線”的歷史。

The history of astronomy is a history of receding horizons.

——Edwin Powell Hubble(1936)

“The Realm of the Nebulae”

03

那些最遙遠(yuǎn)的

回到開篇的那個(gè)問題“能看多遠(yuǎn)”，其實(shí)并沒有確切的答案。一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡造好后，天文學(xué)家能明確告訴你的是能看到“多么暗弱”的天體，而不是多遠(yuǎn)。

以哈勃望遠(yuǎn)鏡為例，你如果問它能看多遠(yuǎn)？隨著天文學(xué)家們競(jìng)相找到登頂榜首的新天體，答案也在不斷變化。哈勃就一直在不停地打破自己創(chuàng)造的記錄，用不斷更新的發(fā)現(xiàn)延伸人類回溯宇宙的邊際。

哈勃望遠(yuǎn)鏡（HST）對(duì)早期宇宙研究的革命性貢獻(xiàn)。| 圖源：NASA/ESA

在哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之前，地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡只能觀測(cè)到紅移不超過1的天體，約相當(dāng)于大爆炸至今宇宙年齡的一半，而哈勃最新的記錄已經(jīng)到紅移11.1，即約3%的宇宙年齡。它的繼任者韋布望遠(yuǎn)鏡（JWST）將能探測(cè)到更早期、更遙遠(yuǎn)的宇宙。

下面我們一起乘著“時(shí)光機(jī)”細(xì)數(shù)迄今已確認(rèn)探測(cè)到的最遙遠(yuǎn)。

迄今確認(rèn)觀測(cè)到最遙遠(yuǎn)的天體 | 圖源：見標(biāo)注

2021年10月，錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡在2800萬光年外的旋渦星系M51中發(fā)現(xiàn)的第一顆河外行星候選者M(jìn)51-ULS-1b還有待進(jìn)一步證實(shí)。

2022年4月初，一個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)新的最遙遠(yuǎn)星系候選者HD1，紅移高達(dá)13.27，比GN z11又年輕一億歲、遠(yuǎn)了約12億光年。不過我們對(duì)此還需謹(jǐn)慎樂觀，因?yàn)樗麄冇糜诖_認(rèn)紅移值的唯一譜線只是一個(gè)4σ的初步（tentative）結(jié)果，還不能說是“經(jīng)譜線證認(rèn)的”。

宇宙演化示意圖，圓圈標(biāo)出的是確認(rèn)和候選的最遙遠(yuǎn)星系GN z11和HD1 | 圖源: Harikane et al., NASA, EST and P. Oesch/Yale

04

膨脹的是空間，紅移的是光

天文學(xué)家通過測(cè)量遙遠(yuǎn)天體發(fā)出光子的波長因空間膨脹而被拉伸的程度，即所謂紅移z，來探測(cè)宇宙的深度，研究其歷史。紅移值越大，表示在時(shí)間和空間上的距離就越遠(yuǎn)。宇宙微波背景輻射（CMB）對(duì)應(yīng)的紅移約為1100，當(dāng)時(shí)的宇宙已演化了38萬年。紅移的精確測(cè)定是通過一系列光譜認(rèn)證實(shí)現(xiàn)的，即給天體的電磁輻射做分光，就像用棱鏡制造彩虹那樣，并識(shí)別已知原子、離子或分子在特定波長譜線的偏移量，從而精確測(cè)定紅移。

膨脹宇宙中光線紅移和空間距離變化示意圖 | 圖源：Rob Knop

但是更遙遠(yuǎn)的星系的光太過微弱，直接光譜測(cè)量有時(shí)不可行。天文學(xué)家們轉(zhuǎn)而想出一些巧妙的粗略光譜學(xué)技術(shù)給出紅移估值。

其中一種叫“萊曼斷裂方法”，即通過覆蓋從光學(xué)到近紅外波段的多種不同濾光片，獲得較寬的光譜形狀，并在其中尋找一個(gè)特征銳利“臺(tái)階”——“萊曼斷裂”，這是由宇宙最初約10億年里恒星和星系發(fā)出的波長小于91.2納米的強(qiáng)紫外光被彌漫的中性氫氣體完全吸收所產(chǎn)生的，“斷裂”出現(xiàn)在光譜上的位置取決于星系的距離，從而給出星系紅移的估值。

這種方法可以批量篩選出早期宇宙中的星系，但其身份確認(rèn)還需要借助更精細(xì)的光譜測(cè)量確定紅移值，在此之前都只能叫候選者。

埃德溫· 哈勃1936年在他的《星云世界》一書中這樣描述對(duì)早期宇宙的探測(cè)經(jīng)歷：“隨著距離的增加，我們關(guān)于宇宙的知識(shí)迅速枯竭。最終，到達(dá)暗淡的邊際——望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)極限。在那里，我們測(cè)量陰影，并在幽靈般的測(cè)量誤差中尋找?guī)缀鯖]有更多實(shí)質(zhì)性的地標(biāo)。”如今讀來仍然意味深長。

With increasing distance, our knowledge fades, and fades rapidly. Eventually, we reach the dim boundary——the utmost limits of our telescopes. There, we measure shadows, and we search among ghostly errors of measurement for landmarks that are scarcely more substantial.

——Edwin Powell Hubble (1936)

“The Realm of the Nebulae”

如果把現(xiàn)在的宇宙比作一個(gè)百歲老人，我們已經(jīng)通過“時(shí)光機(jī)”看到了他3歲時(shí)的片段，這幾乎是“哈勃”的極限操作。而新的“時(shí)光機(jī)”韋布（JWST）已經(jīng)在太空準(zhǔn)備就緒，即將吹響探測(cè)更早期宇宙的號(hào)角，不斷打破新的記錄，發(fā)現(xiàn)成千上萬個(gè)宇宙第一代發(fā)光天體（恒星、星系等），回溯襁褓中的宇宙。

05

那些遙不可及

“沒有最遠(yuǎn)，只有更遠(yuǎn)……”可以當(dāng)作人類探索宇宙的口號(hào)，但事實(shí)上，還是有最遠(yuǎn)的。宇宙的存在時(shí)間（約138億年）和光速都是有限的，所以“可觀測(cè)宇宙”也是有限的，半徑約為465億光年。這個(gè)半徑之所以遠(yuǎn)大于138億光年，是因?yàn)橛钪婵臻g在不斷膨脹。

最后，我們?cè)俅位氐介_篇的那個(gè)問題。其實(shí)，即便是在太陽系，要回答“能看多遠(yuǎn)”也沒那么簡單，天文學(xué)家在不斷把宇宙地平線推向時(shí)間原點(diǎn)的同時(shí)，也從未停止探測(cè)太陽系邊際的腳步。下一個(gè)難道要叫“Farfarfarout”嗎？雖然毫無創(chuàng)意，但一點(diǎn)兒也不影響我們期待。

小行星Farfarout和部分太陽系天體距離的比較（AU約為1.5億公里） | 圖源：R. Candanosa, S. Sheppard and B. Bays

在期待韋布大顯身手的同時(shí)，也別忘了那個(gè)載著人類的信息孤勇前行的“旅行者一號(hào)”——迄今飛得最遠(yuǎn)的人類飛行器，哪怕明知還要至少一萬年，也要努力沖出太陽系，替人類去見證太陽系邊際外的景象。

旅行者1號(hào)：目前距離地球232.7億公里 | 圖源：NASA

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