## 跟韦布围观最古老的星系

2022年夏天，詹姆斯·韦布太空望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）传来了第一批照片。这些照片高清地展现了宇宙之大、宇宙之美、宇宙中的星系之多，令人赞叹。这一讲咱们聊聊其中的意义。

韦布是天体物理学家的神兵利器，是史诗级的装备，是可能几十年来最能让人开眼界的科学探索。韦布可以观测像木星这么近的天体，也可以用前所未有的精度观测遥远恒星所带的行星，它会大大丰富我们的宇宙知识。

但是韦布真正的独门功夫、它的设计需求、它最重要的使命，是观测宇宙中最早的那一批星系。

科学家迫不及待地用韦布观察了很早、很早的宇宙的样子。他们看到了几个原本不应该存在的东西。

这件事说来话长。

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观测宇宙和拿个望远镜偷窥邻居有重大区别。当你仰望星空的时候，你看到的都是星星过去的样子。

这是因为光速是有限的。太阳光需要8分20秒才能到达地球，所以你看见的其实是8分20秒之前的太阳。如果此刻太阳突然消失，你得再过8分20秒才能知道。像火星那么远，一个信号需要20分钟才能传回地球。没错，你无法“实时”操控火星探测器，你收到的永远是*过去*发出的信号。

越是往远看，就越是往过去看。这其实是个大好事！因为如果我们想知道过去的宇宙是什么样，我们只需要看看远方的宇宙。你体会一下这个意境。

你需要了解的另一个基本知识是宇宙一直在膨胀 [1]。早在1929年，天文学家哈勃就发现遥远星系的光谱都有一个往红端的移动。这种现象叫做「红移」，意味着那些星系都正在离我们而去。而且红移的程度 —— 也就是离我们而去的速度 —— 跟那些星系跟我们之间的距离成正比。这就是宇宙膨胀。

因为宇宙在膨胀，在大尺度上，以下这四件事是对等的：

星系光谱红移大 ⇔ 星系离我们而去的速度快 ⇔ 星系距离我们远 ⇔ 星系处于更早期的宇宙

这是非常简单方便的关系。只要看看一个星系光谱的红移情况，就知道它的速度、它大概的位置、它是宇宙的哪个时代的。那么天文学家只要看看远方的星空，就知道宇宙以前是怎样的，从远到近一路看过来就是一部宇宙演化史。

天文学家眼中的宇宙大概是下面这个样子 [2] ——

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2022111412/1791432863837661360/111412.jpeg)

想象一个球形。球的中心点是我们，越往外宇宙就越年轻，靠近最外层是最早的一批星系，再往外就是宇宙的起源。

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没错，这个宇宙有个起源。既然宇宙在膨胀，你只要把膨胀的过程倒放，就可以想象出，最初的时候，整个宇宙是聚集在一起的。物理学家用爱因斯坦的广义相对论求解宇宙膨胀方程，认为宇宙起源于一个所有物质和所有能量挤在一起的「奇点」。

那个奇点到底是怎么回事儿，现在只有推测没有证据。物理定律是在奇点开始10的-43次方秒以后才有效，这个时间称为「普朗克时间」。顺便说一句这也是为什么我们精英日课专栏用1043作为标志，我们每晚10:43更新：1043以后，世界才是可以理解的。

你可以通俗地把奇点之后的事情称为「大爆炸」。宇宙开始剧烈膨胀，时间和空间展开。物理学家计算表明，大爆炸开始于距今137亿年之前。那是宇宙的零点。

我们没有关于大爆炸的直接证据 [3]，但是我们捕捉到了大爆炸的遗迹。理论表明大爆炸发生之后40万年，产生了「宇宙微波背景辐射」 ——  这个辐射直到今天仍然存在，而且可以被精确探测。科学家对那一段早期宇宙非常感兴趣，已经发射了若干个太空探测器，专门探测大爆炸刚刚发生几十万到几百万年间宇宙的状态，包括宇宙背景探测者（COBE）、威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）、普朗克卫星（Planck），它们看得都比韦布还远。

那韦布要看啥呢？韦布要看最早的星系 [4]。

按照我们讲泰森的《给忙碌者的天体物理学》时提到的说法，星系大约是这么起源的 ——

* 大爆炸刚发生不久，宇宙的温度还太高，质子和电子是分开的，还没有原子；

* 宇宙年龄到了38万年的时候，温度比较低了，形成了氢原子和氦原子；

* 这些原子在引力作用下慢慢聚集在一起；

* 宇宙年龄达到10亿年的时候，恒星终于出现了，很多很多恒星组成一个个星系……

这些最早的星系对我们很重要，因为正是这些星系中的恒星死亡时发生爆炸，把恒星内部生成的那些重元素，包括氧、碳散播到宇宙之中，各自聚集起来，才有了行星，才有了生命，才有了我们。你身上每一个细胞都得感谢那些最早的星系。

可是最早的星系到底是何时出现的？宇宙给过我们惊喜。

1995年，哈勃太空望远镜的运营中心 —— 巴尔的摩太空望远镜科学研究所 —— 的所长，鲍勃·威廉姆斯（Bob Williams），想要干一件不寻常的事。他有100个小时的“所长自由支配时间”，可以用哈勃看任何一个地方。有几个博士后建议说咱们干脆选一片最黑暗的区域，曝光上100小时，看看黑暗里有没有什么东西。很多人反对这么干，说黑暗中那么远的地方应该什么都没有，那里对应的是早期宇宙，那时候根本还没有星系呢！

但威廉姆斯可能觉得搞科研就应该有点冒险精神，反正我这100小时也是白给的，就看看吧。于是哈勃用了超过10天的曝光，观测了空中相当于1/12个月球宽度的很小很小的一片黑暗的天空。

结果它在那里发现了3000个星系。就是下面这张照片 [4] ——

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2022111413/1791434097566944740/111413.jpeg)

那片黑暗中隐藏着三千个天文学家从来没见过的、甚至认为根本就不应该存在的星系！

科学家非常震惊。这说明星系产生的时间比此前估计的要早。我们前面不是说了吗？理论认为大爆炸之后10亿年才有了恒星和星系，可是哈勃看到了最早可能是5亿年的星系。

但是哈勃并不擅长观测特别远的地方，我们需要看得再清楚一点。这就有了詹姆斯·韦布太空望远镜。

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要想捕捉最遥远的星光，你的望远镜必须满足两个要求。

一个是要很大很平。远方来的星光非常微弱，只有很大很平的镜子才能捕捉到。韦布的直径高达6.5米，而它的表面光滑到什么程度呢？如果你把这个镜子比喻成一个洲际大陆，那么其中的凸起，也就是大陆上的山丘，不能超过人的脚踝那么高。

第二个要求是它必须非常冷。那么远的星光传过来会红移得非常厉害，所以你要探测的都是红外光。而我们知道，发热物体都会散发红外光，这不就把信号干扰了吗？所以你必须把望远镜放到一个非常冷的地方。最后科学家决定把韦布放在拉格朗日L2点，距离地球比月球还要远4倍。韦布侧身对着地球、太阳和月亮，再用五层网球场那么大的遮光板隔绝太阳光，把热量降到最低 ——

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2022111413/1791434207088681972/111413.png)

这一切都在技术上有无法想象的困难。这么大的望远镜肯定不能直接装火箭里，你必须得先把它折叠好，到了太空预定地点再打开。可是你怎么确保到时候打开了它还是那么平呢？韦布使用的电机，能操控像半个病毒的宽度那么精确的距离差。而只要出一点错，整个项目就全部报废，因为你不可能派宇航员过去维修。

所幸这一切都运行得非常完美。在无数次的推迟之后，在花了100亿美元之后，韦布望远镜被证明非常好使。

我们看看韦布跟哈勃的对比 ——

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2022111413/1791434270439450800/111413.png)

哈勃最远能看到宇宙诞生5亿年，而韦布最远能看到宇宙诞生5000万年。下图是韦布传回来最早的一批照片之一 [5]，其中有些星系可能位于宇宙诞生2亿年！

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2022111413/1791434328421436900/111413.png)

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韦布的第一批数据中，现在找到了比较确定的两个早期宇宙的星系。一个叫GLASS-z11，一个叫GLASS-z13。其中GLASS是项目名称， z11和z13是这两个星系的红移系数。有这么高的红移系数，说明它们分别是处于宇宙诞生4亿年和3亿年的时间点 [6]。

咱们先看看它们各自在韦布照片中的位置 [7]。

GLASS-z11：

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2022111413/1791434377813631988/111413.png)

GLASS-z13：

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2022111413/1791434448680593584/111413.png)

这两个星系都位于一张大照片中的一个非常不起眼的位置，你得把图放大很多倍才能看到。它们当初的星光历经大约134亿年才抵达我们，而考虑到宇宙膨胀，它们“现在”的位置已经距离我们超过320亿光年。想必它们已经很老了，我们有幸看到了它们童年时的样子。

而它们童年时的样子，让科学家感到震惊。

首先这两个星系的尺度都很大，GLASS-z11的直径有3000光年，GLASS-z13的直径有4500光年。宇宙刚刚诞生3亿年、4亿年的时候，怎么就能有这么大的星系呢？

还有，GLASS-z11星系并不是圆形，它是一个被拉长的形状，似乎是个螺旋盘。那是一个星系和另一个星系合并才会形成的结构。

换句话说，这两个原本应该处于童年的星系，长的是一副成年的样子，其中一个好像还结婚了。

在我们“附近”的、成熟的这片宇宙中，随时都有星系死亡也有星系新生，所以天文学家非常了解星系的一生是怎么度过的。这就如同虽然你自己是个年轻人，但是你在社会上见过各种年龄的人。如果宇宙没有开端，宇宙中一直都有年轻和年老的星系，那也就罢了。但是既然宇宙有一个开端，那么在那个开端附近，就应该只有年轻的、没有年老的星系。对吧？

事实本来也正是如此。不论是以前哈勃的观测也好，现在韦布的一些观测也好，普遍趋势的确是越早期宇宙的星系就越小，所以你不能说大爆炸理论错了。

但是现有的理论的确无法解释为什么在那么早期的宇宙里会有像GLASS-z11和GLASS-z13这么大、还有复杂结构的星系。你要知道原子形成恒星、恒星组成星系、星系成长成大星系，这一切都需要极为漫长的时间。难道三四亿年就够了吗？

这就如同你知道那边有个小学，你远远看过去发现里面的确都是一些小学生。最近你用新望远镜仔细看了一眼，发现里面有两个学生的身高和智力水平相当于成年人。

它们是普遍存在的吗？是我们现有的星系成长理论有问题吗？是早期宇宙有些我们不知道的性质吗？是跟暗物质有关吗？现在数据量还远远不够，我们只能等待韦布更多更精确的观测。

不论如何，这两个星系的发现是绝对的好消息，说明我们对宇宙的认知仍然在加深，宇宙仍然在给我们提供各种惊喜，也证明韦布这100亿美元花得真是太值了。现在绝对是天体物理学的黄金时代。

你要知道，大型强子对撞机（LHC），也花掉了80多亿美元建造。这么多年过去，它唯一拿得出手的发现是*验证*了希格斯玻色子的存在。它没有带来过哪怕一点点惊喜。

我认为那时候的GLASS-z11和GLASS-z13星系里应该不会有智慧生命，毕竟地球从最初级的生命演化到人类出现用了四十多亿年……但是既然宇宙总有惊喜，我也不敢说那就是绝对的。

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2022111413/1791434477671550436/111413.jpeg)

注释

[1] 精英日课第一季，暗能量的惆怅

[2] https://universemagazine.com/en/mysteries-of-the-early-universe/

[3] https://nautil.us/the-trouble-with-the-big-bang-238547/

[4] https://www.quantamagazine.org/why-nasas-james-webb-space-telescope-matters-so-much-20211203/

[5] https://www.space.com/james-webb-space-telescope-new-most-distant-galaxies

[6] https://www.space.com/james-webb-space-telescope-most-distant-galaxy

[7] 两张照片分别来自维基百科和 https://www.popsci.com/science/big-bang-galaxy-james-webb-space-telescope/

### 💡 精华要点
- 1.韦布真正的独门功夫、它的设计需求、它最重要的使命，是观测宇宙中最早的那一批星系。
- 2.韦布找到了比较确定的两个早期宇宙的星系，它们分别是处于宇宙诞生4亿年和3亿年的时间点。
- 3.这两个原本应该处于童年的星系，长的是一副成年的样子，其中一个好像还结婚了。
- 4.我们等待韦布更多更精确的观测，而现在是天体物理学的黄金时代。
