宇宙中最神奇的星系（探索最遥远星系的未解之谜）

已知最遥远星系及其中疑似伽玛射线暴的艺术想象图，图片来源：北京天文馆喻京川。

让我们一起去探索遥远的宇宙

撰文 | 江林华（北京大学）

责编 | 韩越扬、吕浩然

人们从未停止探索遥远宇宙的步伐，古往今来，人们不停在问“宇宙有多大？”“宇宙有边界吗？”“最远的星星有多远？”。然而，由于技术条件的限制，这个步伐前进的相当缓慢。一百多年前，宏伟的经典物理学大厦已具规模，相对论和量子理论也开始闪亮登场，然而那时，人们对银河系外的宇宙几乎还是一无所知。

百多年后的今天，人们利用各类大型望远镜可以发现百亿光年外的天体。而下一代太空望远镜和地面巨型望远镜将有望带领我们去领略宇宙大爆炸后产生的第一代星系。天文学和天体物理学正进入另一个黄金时代，然而，中国仍可能缺席。

01 人类认识遥远宇宙的脚步

“四方上下曰宇，古往今来曰宙”，古人很久以前就开始观察日月星辰的变化，但千百年来，人们一直认为我们（或地球）就是宇宙的中心。哥白尼的“日心说”跨出了重要一步，让人们开始明白地球不是宇宙的中心。在随后的三四百年间，随着天文数据的进一步积累，人们慢慢知道太阳也不是宇宙的中心，甚至不在银河系中心。

当然，由于观测手段或者说是技术的限制，那时认识宇宙的步伐非常缓慢。甚至在在一百年前那场著名的“大辩论”（Great Debate）中，一群著名的天文学家还在争论银河系是不是宇宙的全部[8]。

近半个多世纪以来，随着射电技术和电荷藕合器件（CCD）等技术的出现，天文学的发展走上了快车道。在探测遥远的宇宙方面，人们对类星体的探测跨出了第一步：1963年Maarten Schmidt证认了一颗红移为0.158的类星体[6]，大约距离我们20亿光年。类星体是一类最亮的活动星系，能量来源于其中心的超大质量黑洞（质量从数百万至上百亿太阳质量不等）。由于它们通常非常明亮，比较容易探测。在随后的20年里，类星体红移记录快速攀升，至80年代时已达红移4左右。但是，探测那些遥远的、暗弱的多的普通星系就困难的多（早期发现的较高红移星系都是射电星系，即另一类活动星系）。

根据目前的标准宇宙学模型，现在的宇宙年龄约为138亿年。人们利用宇宙学红移表示宇宙年龄和距离。红移越大，距离越远，宇宙年龄越小。但它们的关系远非线性，宇宙年龄与红移的关系见图1。例如，红移1对应的宇宙年龄约59亿年，已接近现在宇宙年龄的一半。对于红移为1的天体，我们可以说它距离我们79（=138−59）亿光年，即光走了79亿年。但由于宇宙同时在膨胀，根据宇宙学模型计算的实际距离约为111亿年。尽管如此，人们（包括本文）还是经常直接使用79亿光年。为了避免误导，本文尽量使用没有歧义的宇宙年龄。

在几年前我参加的一次会议上，一位研究高红移星系的前辈Richard Ellis教授回忆说，在90年代初的一次学术会议上，人们还在打赌将来能发现的星系最远能多远：有人选红移1，有人选1.5，也有人选2左右。不久后，随着哈勃太空望远镜（HST）的升空和一些大型地面望远镜的建成，人们开始真正有能力去探测那些非常遥远的星系，而现在已知的最遥远星系红移已达10以上（红移10对应的宇宙年龄为5亿年左右）。

图1：宇宙年龄与红移的关系（注意它们的关系远非线性）。

02 宇宙再电离和“第一缕曙光”

宇宙大爆炸后38万年进入所谓的“黑暗时代”，即没有发光天体。在这“黑暗时代”末期，宇宙大尺度结构在暗物质晕作用下开始显现，早期恒星和星系逐渐开始诞生。

理论和数值模拟表明，最早的恒星形成于大爆炸后约1~2亿年（红移20-30左右）；而第一代星系在随后的1亿年左右形成。同时，最早的超大质量黑洞种子也开始诞生和成长。这些天体发出的电离光子重新“点亮”宇宙（电离星系际介质中的氢），即宇宙再电离。

该电离过程持续数亿年，结束于红移6左右（即宇宙年龄~10亿年），是宇宙演化的最重要时期之一。研究宇宙再电离和探测早期天体发出的“第一缕曙光”是下一代地面和空间巨型光学红外望远镜（如中国参与的国际三十米望远镜TMT等）的主要科学目标之一。在美国2010年天文十年规划中，也将其列入三大优先支持领域之一。

近年来，随着哈勃空间望远镜（HST）和地面大型望远镜（如美国的Keck、欧洲的VLT、日本的Subaru）上仪器的更新换代，大量的高红移星系被发现（图2）。例如，最近统计表明在HST的几个深场中就有一千多个高红移星系[1]（这儿指红移大于6、或者说宇宙再电离时期的星系）。严格来说，这些星系都是候选体，因为它们是通过图像测光的方法选择出来的，而没有经过光谱证认，其中不可避免的有前景天体的污染。

然而，光谱证认这些高红移星系非常困难：对于上述HST发现的大部分星系，即使利用下一代巨型望远镜去证认也极具挑战。唯一的例外是，如果星系有强发射线，那么光谱证认就相对容易。当然，具有强发射线的星系比例较小。对于中高红移星系，通常唯一利用的发射线是氢的Lyα发射线，这是紫外波段最强的发射线，且比别的线强很多。但对于红移大于7的星系来说，最大的问题是，所观测到的Lyα发射线随着红移的上升快速下降直至消失。原因是星系际介质中的中性氢通过一种机制将视线方向上的Lyα发射线稀释掉。所以，光谱证认更高红移的星系几乎没有高效的方法。

图2：哈勃超深场部分天区。图中大部分天体都是非常遥远的星系。图片来源：https://hubblesite.org/。

03 光谱证认红移11的星系GN-z11及背后的故事

目前，人们已知的最遥远星系一般认为是GN-z11。GN是HST GOODS-North深场的简写，而z11意味着红移11左右。其实人们开始利用HST多色成像数据发现该星系在红移10左右，简称GN-z10。随着HST数据的积累，慢慢发现它的红移可能更高。最后P. Oesch等人[5]利用HST拍摄了很深的无缝光谱，发现了一个疑似的连续谱跳变，表明红移可能在11左右。

那是2016年的事，我那时想，也许可以利用地面大型望远镜尝试去探测该星系另外几条紫外发射线。2017年，我们与合作者，日本的N. Kashikawa教授利用美国的10米口径Keck望远镜进行了合作观测，观测很顺利，观测条件也非常好，我们一共观测了7个多小时，实际在GN-z11上的积分时间为5个多小时。获得数据的第二天，P. Oesch就迫不及待地对数据进行了快速处理，他在发给我的邮件中说，我们探测到了两条发射线。

随后，我们团队的两位成员分别进行了独立的数据处理，得出了一致的结论，即探测到了三条发射线，表明GN-z11在红移10.957，对应的宇宙年龄为4亿年左右，也就是134亿光年外（算上宇宙膨胀应该是320亿光年外）。这证实了该星系其为已知最遥远星系，也是最遥远天体[2]。

图3：我们利用Keck拍摄的GN-z11的部分光谱。上面两图分别为二维图像和对其平滑后的图像。下面两图分别是与上面两图对应的一维光谱。通过其中最强的一条发射线可以计算出GN-z11的红移为10.957。

该发现的意义是多方面的。人们执著于探索那些最远的天体、最亮的超新星、质量最大的黑洞、最强的磁场等，不只是因为“最”字吸引眼球，更在于科学意义。GN-z11其实本身很亮（相对于那时的星系来说），只是由于遥远的距离而显得很暗。人们曾一度怀疑在如此早期的宇宙能否存在如此大（亮）的星系。

我们的结果表明GN-z11确实存在于宇宙早期，是一个活跃的恒星形成星系。我们探测到的发射线由碳和氧的二次电离气体发出，说明该星系中已有丰富的金属成分（指非氢和氦元素），意味着该星系不是宇宙中第一代星系，即几乎没有金属成分的星系。这同时也表明第一代星系的出现应远早于红移11。我们的结果还表明现有大型天文设备有能力探测到部分早期星系的光谱，这其实出乎很多人的意外。但对中国学者来说意义不大，因为我们尚缺乏类似的设备。

04 不可思议的巧合：来自134亿年前的伽玛暴？

我们在2017年观测GN-z11光谱时，还探测到来自该星系方向的一次爆发（以下简称GN-z11-flash）。该爆发表现为一明亮的近红外光谱，持续时间短于三分钟（图4）。光谱包含明显的大气吸收成分，表明爆发信号来自地球大气层外。这是一次不可思议的低概率事件，我和我的合作者及同事们在过去的研究生涯中从未遇到过这种事情，即在观测一个遥远星系时，在同样位置观测到一爆发或暂现源。

经详细分析，我们基本排除该爆发信号来自地球上人造物体和太阳系天体等来源。我们进一步的理论计算表明，该光谱可能来自GN-z11的一次伽玛射线暴，为伴随该伽玛射线暴的（静止坐标下）紫外辐射[3]。遗憾的是，在观测时段内现有伽玛射线卫星没有观测该天区或探测深度不够。不可否认，在观测时段内GN-z11发生伽玛射线暴的概率极低，但来自其它已知信号源的概率更低。若伽玛射线暴解释成立，那么这是目前人类已知的最遥远天体爆发，表明宇宙大爆炸后4亿年左右宇宙就可能大量产生伽玛射线暴。

图4：GN-z11-flash爆发二维光谱图。从上到下显示的是连续五次三分钟曝光图。在第三幅图编号为ID209的中间两条显示的是GN-z11-flash的连续谱。

该发现发表后受到了国际同行和媒体的大量关注，也毫不意外地受到了一些质疑[4,7]。这些质疑主要聚焦于GN-z11-flash很可能来自于人造卫星，因为我们经常在天文图像上看到人造卫星留下的长长印迹。但这些质疑文章没有深入分析我们观测的时间、地点、天区、卫星特征、光谱特征等重要信息。例如，人造卫星靠反射太阳光才可见，大部分卫星是中低轨卫星，在我们观测GN-z11-flash时处于地球的阴影，所以我们可以立刻排除这些卫星。绝大部分高轨道卫星是地球同步卫星，在地球赤道上空，而GN-z11在高纬度，我们利用Keck望远镜观测GN-z11时是不会看到这些高轨道卫星的。我们还对比了卫星数据库，排除了所有已知卫星。

当然，我们无法完全排除在特定轨道上且不在卫星数据库里的卫星或者卫星残骸。

但是，这些可能存在的卫星要满足GN-z11-flash的所有观测特征，其概率微乎其微。例如，最近有人质疑GN-z11-flash可能来自一卫星残骸，也被我们反驳了。需要指出的是，我们在文章中也只是提出了我们认为最可能的解释，真相我们目前还不知道。不过，如果GN-z11-flash是一类罕见的天体现象，那么未来的大型巡天项目，如中国空间站光学望远镜巡天等，定会揭开其神秘面纱。

05 未来将至：追寻宇宙中第一代天体，中国仍在缺席

我们的上述结果表明GN-z11已经是一个较大的、金属成分较高的星系，也是目前已知的最遥远的星系。如果已知是正确的，那么第一代星系应该存在于更高的红移。第一代星系到底是什么样貌还只是存在于理论或数值模拟中，但各国学者已经开始摩拳擦掌，希望不久的未来能揭开其神秘面纱。

这主要归功于当前建设中的下一代巨型望远镜，包括美国的JWST太空望远镜（即HST的继承者）、25米口径的巨型麦哲伦望远镜GMT、30米口径的三十米望远镜TMT（中国也加入了该项目）、欧洲39米口径的极大望远镜E-ELT。科学家们迫切希望通过这些望远镜探测并理解宇宙中第一代星系、恒星、大质量黑洞的种子黑洞等。由于技术条件的限制，中国以前基本远离该领域的国际竞赛。但未来将至，希望我们不再错过下一次探索宇宙极限的国际盛宴。

参考文献：

1. Bouwens, R.J., et al. New Determinations of the UV Luminosity Functions from z~9 to z~2 Show a Remarkable Consistency with Halo Growth and a Constant Star Formation Efficiency, 2021, arXiv:2102.07775

2. Jiang, L. et al. Evidence for GN-z11 as a luminous galaxy at redshift 10.957, 2020a, Nature Astronomy, https://doi.org/10.1038/s41550-020-01275-y

3. Jiang, L. et al. A possible bright ultraviolet flash from a galaxy at redshift z ≈ 11, 2020b, Nature Astronomy, https://doi.org/10.1038/s41550-020-01266-z

4. Nir, G. et al. The GN-z11-Flash event can be a satellite glint, 2021, Research Notes AAS, 5, 27

5. Oesch, P. A. et al., A Remarkably Luminous Galaxy at z = 11.1 Measured with Hubble Space Telescope Grism Spectroscopy, 2016, Astrophysical Journal, 819, 129

6. Schmidt, M., 3C273: A Star-Like Object with Large Red-Shift, 1963, Nature, 197, 1040

7. Steinhardt, C. L. et al. A more probable explanation for a continuum flash in the direction of a redshift ≈ 11 galaxy, 2021, arXiv:2101.12738

8. Trimble, V., The 1920 Shapley-Curtis Discussion: Background, Issues, and Aftermath, 1995, Publicatins of the Astronomical Society of the Pacific, 107, 1133

简介

江林华

江林华，北京大学科维理天文与天体物理研究所研究员。主要研究领域是高红移星系和类星体。

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